автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Модели и методы управления медиа-шлюзами в сетях NGN

Q034'°'

На правах рукописи

АТЦИК Александр Александрович

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕДИА-ШЛЮЗАМИ В СЕТЯХ NGN

Специальность 05.13.13 - Телекоммуникационные системы и компьютерные сети

~ 1 ОНТ 2009

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

003478790

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Б онч-Бруевича и в Научно-техническом центре АРГУС.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Б.С. Гольдштейн.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук профессор А.Е. Кучерявый

кандидат технических наук В.О. Пяттаев

Ведущая организация - ОАО «Гипросвязь-СПб», Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится 2Л/- 2009 г. в /£часов на заседании диссертационного Совета Д.219.004.02 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного Совета.

Автореферат разослан & Q_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, . кандидат технических наук, доцент"" "^?

В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований.

Способы управления обслуживанием вызовов в сетях связи общего пользования (ССОП) эволюционировали вместе с развитием телекоммуникационной техники. На современном этапе, характеризующемся конвергенцией сетей с разными технологиями передачи информации, стали использоваться новые системы управления обслуживанием вызовов, базирующиеся на принципе декомпозиции шлюзов. Основной его идеей является физическое разделение функций управления обслуживанием вызовов и коммутационной подсистемы, что порождает задачу дистанционного управления. Для её решения в телекоммуникационном сообществе были разработаны и стандартизованы протоколы управления медиа-шлюзами, такие как MGCP (Media Gateway Control Protocol) и сменивший его впоследствии протокол H.248/Megaco.

Архитектура сети на базе распределённого шлюза позволяет эффективно использовать её интеллектуальные ресурсы, отвечающие за базовую логику коммутации пользовательского трафика и обработку сигнализации управления обслуживанием вызовов, путём их централизации в Softswitch без необходимости дублирования в каждом из сетевых узлов. Помимо этого, централизованное управление коммутационным оборудованием в сети предоставляет возможность воздействия на логику управления обслуживанием вызовов в одной точке, что раскрывает широкие возможности предоставления услуг.

Сегодня управление шлюзами через H.248/Megaco используется в таких перспективных архитектурных концепциях, как Softswitch (SSW), 3GPP IMS (3rd Generation Partnership Project, IP Multimedia Subsystem), NGN TISPAN (Next Generation Network, Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking), ITU AMS (International Telecommunications Union, Advanced Multimedia System) и др. В силу новизны принципов работы управляющих узлов для NGN/IMS сетей и отличия их от традиционных узлов управления обработкой телефонных вызовов нужны новые методы построения и расчёта этих узлов. Несмотря на технологическую проработанность новых видов архитектуры, таких методик сегодня практически нет.

Современное оборудование и технологии транспортной сети передачи данных могут обеспечить большой запас производительности и обеспечить требуемое качество обслуживания (QoS, Quality of Service) пользовательского трафика, в то же время оборудование управления соединениями сталкивается с необходимостью обработки всё возрастающего количества команд, передаваемых протоколами сигнализации, в рамках одной сессии связи. Этот рост связан со значительным усложнением логики и увеличением количества теле- и инфокоммуникационных услуг. В силу вышеизложенного пред-

ставляется актуальной задача анализа и расчета вероятностно-временных характеристик (ВВХ) контроллеров медиа-шлюзов, позволяющих оценить качество услуг связи в разных вариантах архитектуры на базе распределённого шлюза.

Состояние вопроса.

Начало исследований в этом направлении совпало по времени с появлением поколения систем коммутации с программным управлением. В работах Р.А. Авакова, Б.С. Гольдштейна, В.О. Игнатьева и целого ряда других авторов исследованы вопросы программного управления коммутационными системами, но эти исследования ограничены узлами коммутации и, естественно, не рассматривают сетевую архитектуру NGN, где от оператора сети или от проектировщика зависит не только интенсивность нагрузки, поступающей на каждый узел, но и сама конфигурация сети связи. Тем не менее, уже из этих работ видно, что наиболее адекватной моделью обработки сигнального трафика, поступающего от удалённых коммутационных элементов, являются различные варианты циклического обслуживания, когда один сервер по очереди обслуживает несколько очередей сообщений.

В более поздних работах и в документах ряда организаций, таких как ITU, IETF, ETSI, IMS Forum (ранее IPCC), 3GPP, рассмотрены технические решения, предусматривающие физическую декомпозицию управления и коммутации, но они ориентированы на инженерное применение и не позволяют заранее рассчитать сетевую архитектуру и ВВХ предоставляемых на её базе услуг.

Научные основания для такого расчёта содержатся в работах Боксма (Вохша O.J.), Эверитта (Everitt D.), Фергюсона (Ferguson M.J.), Фурмана (Fuhrmann S.W.), Леви (Levy H.), Такаги (Takagi H.) и других учёных, где исследуются модели разных дисциплин циклического обслуживания. Блестящий анализ этих моделей приведён в монографии профессора В.М. Вишневского и О.В. Семёновой (Системы поллинга: теория и применение в широкополосных беспроводных сетях, М.: 2007). Однако все эти модели построены либо абстрактно, либо применительно к таким технологиям, как цифровые телефонные сети (TDM, Time Division Multiplex), Token Ring, Bluetooth и прочим, но ни в одной из них не учитывается специфика управления медиа-шлюзами или подобными устройствами (пограничными контроллерами сессий (SBC, Session Border Controller), медиа-серверами).

В то же время, по мере конвергенции сетей связи и перехода к сетям NGN, чрезвычайно актуальной задачей исследования является обобщение перечисленных выше результатов и создание на их основе модели системы управления медиа-шлюзами.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в разработке и анализе моделей и методов управления медиа-шлюзами в разных вариантах сетевой архитектуры N GN. Эти модели и методы должны сделать возможным расчёт и анализ ВВХ сети на базе распределённого шлюза, что

позволило бы обеспечивать при проектировании соблюдение нормативных показателей качества управления услугами VoIP (Voice over IP).

Поставленная цель определила необходимость решения следующих задач:

1) анализ возможных вариантов взаимодействия узлов сети NGN на базе распределённого шлюза;

2) разработка функциональной модели архитектуры распределённого шлюза, отражающей процессы управления медиа-шлюзом в сетевой архитектуре NGN;

3) разработка аналитической модели дисциплины циклического опроса очередей сообщений от медиа-шлюзов при обработке сигнального трафика в контроллере медиа-шлюзов;

4) расчёт ВВХ сети на базе распределённого шлюза при использовании разных дисциплин циклического опроса;

5) сравнительный анализ ВВХ при использовании разных дисциплин циклического опроса;

6) подбор и анализ метода определения оптимальных параметров модели циклического опроса при указанных конфигурации и параметрах сети;

7) разработка алгоритма расчёта ВВХ сети на базе распределённого шлюза;

8) разработка критериев оценки работы системы управления медиа-шлюзами.

Методы исследования. Основным математическим аппаратом в работе является теория массового обслуживания, с помощью которой разрабатывается модель обслуживания сигнального трафика протоколов управления медиа-шлюзами в узле управления Softswitch.

Научная новизна работы состоит в предмете исследования - управлении обслуживанием вызова в архитектуре распределённого шлюза, в математической модели узла управления шлюзами, в разработке критериев оценки моделей управления медиа-шлюзами, а также в алгоритме определения ВВХ.

Личный вклад. Все результаты, составляющие содержание диссертации получены автором лично. В работах [2],[3],[5-7],[9-11], выполненных в соавторстве, автору принадлежат математические модели и теоретические результаты.

Практическая ценность результатов работы. Теоретические исследования, выполненные в работе, доведены до инженерных решений. Основные результаты работы использованы ФГУП ЛОНИИС в контрактных работах с НТЦ «Протей» при построении оборудования мультисервисного абонентского концентратора (iMAK) с функциями медиа-шлюза и мультисервисного коммутатора доступа (МКД), являющегося аппаратурой класса Softswitch, с НТЦ «Аргус» при разработке платформы OSS; а также в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича при организации учебного процесса.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции IEEE «110 лет изобретения радио» (СПб, 2005), на Международном телекоммуникационном симпозиуме «Мобильная связь» (СПб, 2006), а также на ежегодных научно-технических конференциях (профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов; студентов и аспирантов) СПбГУТ с 2004 по 2009 год.

Публикации. По материалам диссертационной работы в научно-технических журналах и в трудах международных и всероссийских научных конференций опубликовано 14 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем пояснительной записки 150 страниц, 52 иллюстрации, список литературы насчитывает 114 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

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

Первая глава содержит описание эволюции типов архитектуры управления обслуживанием телефонного вызова, предшествовавшей архитектуре распределённого шлюза, дан обзор методов их исследования и построения. Далее в главе рассматривается и анализируется влияние декомпозиции шлюзов (рис. 1) на процесс обслуживания вызова.

Рис. 1. Декомпозиция шлюза

Проведённый на основе этих данных анализ показал вектор развития систем управления обслуживанием телефонного вызова, а также выявил, что

переход от традиционной архитектуры к распределённой требует изменения моделей и методов расчёта характеристик таких систем, поскольку существующие модели ограничены пределами одного узла коммутации.

Далее в главе предложен метод исследования процессов управления медиа-шлюзами, заключающийся в представлении распределённой архитектуры управления обслуживанием вызова в виде сети массового обслуживания с циклической дисциплиной опроса источников нагрузки.

Анализ существующих трудов, описывающих математические модели циклического обслуживания, позволил сформировать классификацию таких моделей:

• по временной шкале системы (непрерывной или дискретной);

• по характеристике (длине) буфера;

• по используемой дисциплине обслуживания;

• по времени переключения между очередями;

• по характеристикам параметров очередей;

• по режиму работы сервера (непрерывно или с паузой);

• по точности результатов расчета.

Далее в диссертации исследуется возможность использования различных моделей для описания реальных систем управления медиа-шлюзами.

Во второй главе разрабатываются функциональная и математическая модели системы управления медиа-шлюзами (рис.2), отражающие общие закономерности процесса поступления и обслуживания сообщений протоколов управления медиа-шлюзами.

ЛК31

Мб г КЮ 1+1

игам

-НШЩ-4 1 —1 '

Управление Л обслуживанием вызова У

Рис. 2. Функциональная модель системы управления медиа-шлюзами

Базовая модель разделяется на модели управления резидентными шлюзами и управления транкинговыми шлюзами по методу определения

количества опрашиваемых очередей (значения N), величине общей поступающей нагрузки р и требованиям QoS. В диссертации показано, как разработанная функциональная модель накладывается на архитектуру IMS, являющуюся сегодня наиболее перспективным стандартом для построения сетей NGN. Для управления шлюзами в ней определено использование протокола Megaco/H.248, поэтому все практические исследования в диссертационной работе выполнены для него.

В главе характеризуется содержание сигнальной нагрузки управления шлюзами, поступающей на SSW. Её составляют ответы шлюзов на команды, отправленные SSW, и два типа сообщений, которые медиа-шлюз может генерировать самостоятельно: сообщения ServiceChange, содержащие запрос регистрации на SSW или уведомление об изменении режима работы портов передачи данных; сообщения Notify, которые передают на SSW информацию о зарегистрированных на медиа-шлюзе событиях, имеющих значение с точки зрения управления обслуживанием вызова:

N„. сообщ. ~* ^ответов ^Notify ^ServiceChange — ^исх. сообш ^ ^Notify -^ServiceChange

В главе разработана также математическая модель для расчёта ВВХ устройства управления шлюзами. Требование математической модели: она должна быть способна определить ключевые параметры, необходимые на этапе проектирования. При проектировании и оценке существующих систем управления медиа-шлюзами набор показателей, на которые должны накладываться ограничения, включает в себя только показатели, характеризующие качество обслуживания вызовов и пропускную способность системы. В итоге, с точки зрения диссертационного исследования интересны следующие показатели: среднее время реакции системы управления медиа-шлюзами на поступивший входной сигнал (вызов, последняя цифра номера, ответ абонента и т.п.); вероятность условной потери запроса из-за превышения допустимого времени реакции на поступивший входной сигнал.

Математическая модель описывает, как один сервер опрашивает несколько очередей сообщений, при этом обслуживание очередей производится последовательно циклически (г = 1, 2, 3, ..., N-l, N, 1, 2... и т.д.). Модель работает в непрерывном времени, буферы очередей считаются бесконечными, ненулевое время переключения между очередями позволяет учитывать вспомогательные и исходящие процессы на SSW. Очереди имеют ассиметричную природу из-за различия предоставляемых услуг и величины нагрузки от каждого из шлюзов. В разработанной модели действует закон сохранения количества работы, т.е. сервер не создаёт дополнительной работы, а занимается только обслуживанием заявок. Очевидным условием является непрерывность работы сервера, т.е. сервер не прекращает своей работы, и обслужив одну из очередей, переходит к следующей.

В терминах математической модели для диссертационного исследования федставляет интерес среднее время ожидания сообщением обслуживания в >череди i, E[Wj], поскольку оно отражает качество обслуживания сигнальных ;ообщений.

Доказано, что во многих системах, в которых используется циклическое >бслуживание, наиболее эффективной является исчерпывающая (Exhaustive) дасциплина. Она подразумевает полное обслуживание очереди при обращении к 1ей сервера. Однако реальные системы управления медиа-шлюзами не могут >аботать в подобном режиме из соображений защиты от монополизации обслуживания той или другой очередью (шлюзом). Отсюда вытекает геобходимость использования в модели ограниченных дисциплин обслуживания Limited), определяющих максимальное число кj сообщений, обслуживаемых юдряд в одной очереди.

В зависимости от того, входят или нет в число заявки, поступившие в (чередь i в процессе обслуживания её сервером, ограниченные дисциплины юдразделяются, соответственно, на исчерпывающие (E-Lim) и не [счерпывающие (G-Lim). В диссертации разработаны формулы и выполнены >асчёты для обоих вариантов, однако E-Lim больше соответствует реальным ¡истемам управления медиа-шлюзами.

В модели, разработанной в диссертации, заявки поступают в очереди огласно Пуассоновскому закону с интенсивностью X,-. Такой характер нагрузки |бъясняется тем, что медиа-шлюзы обслуживают телефонную нагрузку, и работа [ротоколов управления медиа-шлюзами коррелированна с событиями >бслуживания телефонных вызовов.

Нагрузка, поступающая в каждую из очередей, определяется как Pi = " , где ¿, -среднее время обслуживания сервером заявки из очереди г.

Общая поступающая нагрузка представлена суммой этих значений:

N

1=1

Среднее время, необходимое серверу, чтобы переключиться от очереди i к ¡череди i'+1, обозначается rh дисперсия времени переключения - г^ ■

Среднее значение общего времени, затрачиваемого на переключения, ыражается следующим образом:

N

Л=5/,.

Среднее время полного цикла обслуживания (С) для всех дисциплин бслуживания может быть получено при помощи выражения

1 -р

Точные формулы для ограниченных дисциплин циклического обслуживания получить невозможно, поэтому для практических расчётов были созданы различные аппроксимирующие формулы. Хорошую с инженерной точки зрения точность, одновременно с относительной простотой, дают аппроксимации, построенные на базе закона псевдосохранения (pseudoconservation law или PCL). Он выражает зависимость между E[WJ разных очередей и впервые был выведен Ватсоном (Watson K.S.); чуть позже такие же результаты были получены рядом авторов: Боксма, Грондижк, Ферпосон, Аминецах и другими. Хотя закон псевдосохранения не даёт точных выражений для частных E[W¡], он позволяет сделать оценку общей производительности системы и влияния разных параметров системы на среднее время ожидания заявкой обслуживания.

Основой для разрабатываемой математической модели являются последние результаты исследования E-Lim систем при помощи PCL.

Закон PCL используется в форме, полученной Эвериттом в 1989 году, затем, следуя методологии, разработанной Фурманом (Fuhrmann) и Вангом (Wang) в 1988 году, выводятся аппроксимирующие формулы расчёта среднего времени ожидания заявкой обслуживания.

PCL, предложенный Эвериттом для E-Lim:

м Ai-P)í=i Í=I A'-P)i=i

, R f p] fP.Q-P.) S,(i) (1 -p)£¡k, t? 2 X,k, f (1)

где g¡ = --среднее количество заявок, обслуженных в очереди i за цикл

1 -р

обслуживания. При стабильности системы, оно не зависит от k¡. g,(2) - второй момент этой величины.

На сегодня для ограниченных дисциплин разработаны различные подходы к получению аппроксимирующих формул.

В 1990 году Джефри Педен (D.Peden) исследовал применение E-lim систем для сетей Token Ring и использовал аппарат Z-преобразований. В 1991 году К.Чанг и Д.Сандху предложили аппроксимацию на основе модели сервера с перерывами в обслуживании. Наконец, в 2006 году М. ван Вууреном и Е.М.М. Винандсом была предложена итеративная аппроксимация для E-Lim, в которой система из нескольких очередей преобразуется в систему с одной очередью с перерывами в обслуживании. Однако анализ, проведённый в рамках диссертационного исследования показал, что все они либо решают некоторую узкую задачу, либо сложны для практических расчётов. В результате было решено развить аппроксимацию Фурмана и Ванга, как современную и наиболее отвечающую целям диссертации.

Основная идея этой аппроксимации заключается в том, чтобы выразить отдельные значения времени ожидания через один неизвестный параметр.

= , где каждая у 1 - известная Е[Щ] = /¡х константа, ах- неизвестная переменная.

EWiV

i+ \

а -р\

)Е[С]

Е[Н?]

(2)

Так, единственная неизвестная переменная Е[Н?] - среднее время, необходимое серверу, чтобы вернуться к очереди / относительно момента ухода сервера из очереди (;+т), в которой он находился в момент поступления заявки в очередь / (рис.2).

Поскольку точные значения Е[Ннеизвестны, их нужно определить методом аппроксимации. В диссертации выводятся три аппроксимирующие формулы для и каждая из них показывает лучшие результаты в разных

режимах работы системы.

Первая, наиболее простая аппроксимация заключается в предположении, что благодаря цикличности процесса обслуживания и произвольности времени поступления заявки можно считать значения £[#/] одинаковыми и равными Е[Н].

Тогда, подставляя из формулы (2) в формулу (1) и применив

распространённую аппроксимацию g■2^> = 0, получим первую аппроксимацию значения Е[Н:

N „ N р лг р N

»м_ 2К м _ 2(1-р)^ 1-Ры ^

2(1-Р)]

Ел

/~1

1-Л +

1+-

1 -р

(3)

Эта аппроксимация хорошо работает в условиях небольшой и средней нагрузки, но не корректна при приближении р к единице, поскольку тогда очереди с относительно небольшим временем полного цикла обслуживания, при котором в очереди обрабатывается Л, заявок, имеют большие значения времени Е[Н]. Таким образом, аппроксимация достаточно точно описывает работу модуля управления шлюзами, работающего как SSW класса 5, т.е. управляющего шлюзами доступа и резидентными шлюзами. Связано это с тем, что при проектировании сети доступа на базе резидентных шлюзов учитывается, что несмотря на низкую нагрузку, создаваемую одним шлюзом, скорость реакции модуля управления шлюзами на каждое его сообщение должна быть выше, чем у транкингового шлюза.

Во второй аппроксимации мы отказываемся от предположения, что Е[Н?] одинаковы, но находим между ними простое соотношение, которое будет легко учесть при расчётах.

Время \У\ складывается из трёх составляющих, а именно:

1) времени #,;

М

2) времени 2^СЬд , где Х-, - количество заявок, ожидающих

1=1

обслуживания в очереди г в момент поступления новой заявки, Сь,; - время одного полного цикла обслуживания, когда в очереди / обслуживается ровно к,

заявок (таких циклов будет ])• Среднее значение этой величины - Е[СЬ ■ ];

3) времени ожидания при обращении сервера к очереди, в течение которого будет обслужена интересующая нас заявка. Оно будет вычисляться

1\

как| Xi — ki

br

jy

По мере того как в систему поступает большая нагрузка, появляется тенденция к тому, что очереди с относительно малыми значениями E[Cb i]

имеют большее значение E[Hf]. Тогда соотношение между значениями E[Hf] можно аппроксимировать следующим образом: E[Hf] _ £[QJ E[Hj] ~ E[Cbß '

Следовательно, любое E\Hf] можно выразить через E[Hj], например, через Е[Н?]:

Е[Н?]*В§^.Е[Н?}. (4)

Подставляя (4) в (2) и используя аппроксимацию Е[СЬ,■ ] ^ для

• 1 -p + pi

Е[СЬ,], предложенную П. Коэном, получим:

трл ~ 0 ~ Р+А)(К ~kiP+kiP,P- М + 2Р, ~Р,Р) (кА +R) ElHä]

(b-bp-imh+R) (1-р + А) (5)

Подставив полученную формулу в PCL для дисциплины E-lim (1), определяем Е[Н? ].

К ;=1 ¡=1

1=1

(6)

Е\Ну] =

pi{ki - к,р + -piki + 2/7,- - • (1 -р + р,.)

(¿Д. +R)k,

Подстановка (6) в (5) даёт вторую аппроксимацию для Е[ЖЦ, которая может обеспечить корректные расчёты при высокой нагрузке, характерной для систем управления транкинговыми шлюзами в SSW 4 класса.

С целью получить универсальную формулу для широкого спектра значений нагрузки используем гибридную аппроксимацию, представляющую собой выпуклую комбинацию двух найденных аппроксимаций с коэффициентом з.

Y E[Cb j ] при второй аппроксимации.

В главе 3 производится анализ разработанной модели, выполняются расчёты, предлагается способ определения оптимальных параметров модели и обобщённый алгоритм использования результатов работы.

Для того чтобы выявить влияние разных параметров на время ожидания заявкой обслуживания, были проведены соответствующие расчёты и построены графические зависимости по разработанным формулам. При этом система предполагалась симметричной, т.е. характеристики всех очередей считались одинаковыми. Приведём некоторые из результатов для системы, управляющей 30 шлюзами (N=30) с одинаковыми параметрами нагрузки и обслуживания. Время обслуживания одного сообщения Ь=3 .ис; время, требуемое SSW для переключения от одной очереди к другой, г¡=0,3 мс\ величины, характеризующие вариацию этих параметров, соответственно, Ь(2)=0,3\ г<2>=0,05\ Из полученных графических зависимостей видно, что по мере увеличения нагрузки возрастает задержка (рис. 3). Её заметный рост начинается со значений > 0,7 Эрл. По мере увеличения нагрузки более значительной становится разница в задержке для очередей с различными ограничениями к¡, причём наименьшая задержка наблюдается в случае наибольшего к, (рис. 4).

При увеличении значений к (lim(i) -»°о) ограниченные системы приближаются по своим характеристикам к системам с исчерпывающим обслуживанием. Так, при небольшом значении к сервер тратит много времени на переключения между очередями, а начиная с некоторого значения к (порядка 510 в зависимости от режима работы), характеристика сглаживается и приближается к постоянному значению, равному Е[Щ для дисциплины Exhaustive.

Гибридная

Äijkfr+R)

Ml -р + р,)

J W.+Д) кД-р + р,)

(7)

0,6

0,7

0,8

0,9

Р, эрл

Рис. 3. Зависимость Е[1¥Ц отр (0,6-0,9 Эрл)

£[И/,], мс 600 1 •

500 -400 300 200 100

О

..1 -

..........

......................■......

■X

----N--100

........ А/-5

-N=30

О 10 20 30

Рис. 4. Зависимость от Ц при р = 0,9 Эрл

40

Подобный анализ проведён также относительно другах параметров, для разных диапазонов их значений и для обеих дисциплин - Е-Ыгп и в-Пт.

Однако основная ценность разработанной модели заключается в том, что при её помощи можно производить анализ несимметричных систем, которые наиболее характерны для реальных сетей связи с разнородным оборудованием медиа-шлюзов и с разными типами предоставляемых через них услуг.

Для таких систем наибольший интерес представляет зависимость от к-, величины Е[ЖЦ для очередей, загруженных по-разному. На рис. 5 показан пример графической зависимости, полученной при помощи разных аппроксимаций для системы, управляющей 20 шлюзами (N=20), с одинаковыми параметрами обслуживания сообщений, но в случае, когда от одного из медиа-шлюзов поступает большая нагрузка р1 = 0,8р, в то время как нагрузка от остальных шлюзов одинакова.

£{IV], мс 70

* :

60 50

40

30 20 А

10

о

К

О 50

----1 аппр., зогр, очередь

........2 аппр., загр. очередь

100

150 200

• 1аппр„ ме загр. очередь

• 2 аппр., не загр. очередь

Рис. 5. Зависимость Е[1¥,] от при р = 0,75 Эрл

По мере увеличения значения к уменьшается задержка в сильно нагруженной очереди (рис. 5). При этом задержка в слабо нагруженных очередях растёт, достигая своего максимума в тот момент, когда значение к будет соответствовать количеству заявок Уочередь, находящихся в нагруженной очереди в момент обращения сервера к этой очереди, плюс количество заявок Уобслуж, которые поступят в течение периода обслуживания заявок Уочередь. Соответственно, при этих условиях будет достигнута минимальная задержка заявок в нагруженной очереди. В некоторой точке задержка в ненагруженной очереди будет равна задержке в нагруженной, а затем может даже её превысить.

Очевидно, что выбор значения kt имеет важнейшее значение для характеристик системы управления медиа-шлюзами: его увеличение повышает эффективность системы, уменьшение - улучшает безопасность и снижает взаимное влияние очередей. Подбирая такие значения чтобы оно всегда было больше или равно количеству заявок, которые были бы обслужены исчерпывающей дисциплиной в нормальном режиме работы, можно добиться для E-Lim схожей производительности. В диссертации разработаны аналитические формулы, позволяющие получить оптимальные значения для каждой из очередей. По аналогии с работами Х.Леви, С. Борста и О. Боксма сформулируем задачу оптимизации:

min

кj »■••»^д' /=1

Формула оптимального значения ki выводится методом поиска условного экстремума с помощью множителей Лагранжа, при этом в качестве ограничивающего условия используется общее число заявок, обслуживаемых за

N

цикл ^kj = К :

i=i

УД,Щ(1-р,) + А(2-уО)]

Ki~~N /=1

Для обобщения всех результатов второй и третьей главы, а также для привязки их к реальным сетям на базе распределённого шлюза, в конце главы 3 разработан алгоритм проектирования и расчёта параметров системы управления шлюзами. Этот алгоритм обеспечивает соблюдение условий стабильности работы системы управления медиа-шлюзами и требований QoS к обработке сигнального трафика, а также оптимальный подбор ограничивающих параметров обслуживания очередей.

В главе 4 представлены некоторые инженерные аспекты сетей на базе распределённого шлюза. Проанализированы разные варианты построения таких сетей и показано, как любой из этих вариантов может быть приведён к функциональной модели, разработанной во второй главе.

Далее в главе создаётся структурная модель сети на базе распределённого шлюза, чтобы продемонстрировать среду, в которой существует система управления медиа-шлюзами, и функциональные модули, с которыми ей необходимо взаимодействовать при обслуживании вызова.

Чтобы можно было оценить численные значения, получаемые с помощью математической модели, в главе разрабатываются соответствующие критерии. В качестве их источника использованы рекомендации ITU-T Q.543,1.352 и Y.1530,

1=1

л' f RAj л

у-р.

RXj

(8)

описывающие требования к традиционным услугам связи, поскольку именно они предоставляются с помощью медиа-шлюзов. В этой разработке предусмотрено наложение требований и модели предоставления услуг, описанных ITU-T, на модель предоставления этих услуг с помощью протокола Н.248, работающего между SSW и медиа-шлюзами.

В главе приведено описание практической реализации системы управления медиа-шлюзами и медиа-шлюза разработки НТЦ «Протей», а затем описан натурный эксперимент, проведённый на этом оборудовании. Результат эксперимента оказался близок (в пределах погрешности измерения) к результатам расчёта с использованием математического аппарата, разработанного в диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Разработан численный критерий оценки эффективности системы управления медиа-шлюзами и методика определения его значений.

2. Разработана функциональная модель системы управления медиа-шлюзами, отражающая принципы обработки сигнального трафика протоколов управления медиа-шлюзами и учитывающая особенности управления транкинговыми и резидентными шлюзами.

3. Разработана математическая модель системы управления медиа-шлюзами, учитывающая свойства поступающей нагрузки и процессов её обслуживания.

4. Проведён анализ влияния различных параметров распределённого шлюза на время ожидания заявкой обслуживания.

5. Предложен обобщенный алгоритм проектирования и расчёта параметров модулей управления медиа-шлюзами.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монографии

1. Атцик A.A., Гольдштейн А.Б., Гольдштейн Б.С. Протокол Megaco/H.248: -СПб.: БХВ-Петербург, 2009. - 815 с. ISBN 978-5-9775-0331-0

Учебные пособия

2. Атцик A.A., Гольдштейн А.Б., Саморезов В.В. IP-коммуникации в NGN. Учебное пособие (специальность 210406)/ ГОУВПО СПбГУТ. СПб, 2007. -100 с.

Статьи

3. Атцик A.A., Гольдштейн А.Б. «Солянка» про MPLS. // Вестник связи. -2005. - №2. - С.55-60 (в перечне ВАК)

4. Атцик A.A., Гольдштейн А.Б. Еще один взгляд на NGN: мобильная конвергенция. // Мобильные телекоммуникации. - 2006. - №2. - С.46-52

5. Атцик A.A., Гольдштейн А.Б. Построение NGN: IPCC vs. TISPAN. //Connect! Мир связи. - 2006. - №4.

6. Атцик A.A., Гольдштейн А.Б. Летопись Softswitch. Год 2007. //Connect! Мир связи.-2007.-№5.

7. Атцик A.A., Гольдштейн А.Б. Реквием по Softswitch. //Connect! Мир связи. -2008. - №5. - С.38-44

8. Атцик A.A., Гольдштейн А.Б. Кивалов Р. Пробелы в саге о TISPAN. //Мобильные телекоммуникации. - 2008. - №5. - С.11-18

Тезисы докладов

9. Attsik A. Evolutionary development of call control. //Международная конференция IEEE «110 лет изобретения радио»: материалы - СПб, 2005. -С. 74-78

10. Атцик A.A., Гольдштейн А.Б. Анализ построения сетей NGN и предоставления услуг на базе 1М8//Международный телекоммуникационный симпозиум «Мобильная связь». Сборник трудов. -СПб, 2006. - С.

11. Ат цик A.A. Модель обработки сигнализации протоколов управления медиа-шлюзами. //58-я юбилейная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича: материалы/СПбГУТ. СПб, 2006. - С.

12. Ат цик A.A. Оптимальная модель управления медиа-шлюзами в сетях NGN. //60-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича: материалы/ГОУВПО СПбГУТ. - СПб., 2008. - С.

13. Атцик A.A. Расчёт ВВХ предоставления услуг связи через шлюзы доступа. //61-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича: материалы/ГОУВПО СПбГУТ. - СПб., 2009. - С.26-27.

14. Ат цик A.A. Поллинговая модель управления шлюзами по протоколу H.248/Megaco. //61-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича: материалы/ГОУВПО СПбГУТ. - СПб., 2009. -С. 34-35.

Подписано в печать 29. 05. 09. Тираж 80 экз. Объем 1 печ. л.

_Заказ №25_

Отпечатано в тип. ПК "Объединение Вента". СПб, Большой пр. П.С., 29 а

If

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Виды сетевой архитектуры, использующие принцип декомпозиции шлюзов.

1.1. Эволюция управления обслуживанием вызова в ТфОП.

1.2. Управление обслуживанием вызовов в сетях NGN.

1.3. Принцип декомпозиции шлюзов.

1.4. Математические модели управления шлюзами.

1.5. Цель и задачи исследования.

1.6. Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. Модели и методы расчёта устройств управления медиа-шлюзами

2.1. Функциональная модель управления медиа-шлюзами.

2.2. Математическая модель управления медиа-шлюзами.

2.3. Опрос очередей согласно дисциплине E-Limited.

2.4. Опрос очередей согласно дисциплине G-Limited.

2.5. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Анализ ВВХ и алгоритм проведения расчётов.

3.1. Численно-графический анализ разработанной модели.

3.2. Оптимизация обслуживания с дисциплиной E-Limited.

3.2.1 Определение оптимального ki.

3.2.2 Анализ эффективности оптимизации.

3.3. Алгоритм расчёта параметров и ВВХ системы.

3.4. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Инженерные аспекты управления медиа-шлюзами.

4.1. Анализ вариантов архитектуры управления медиа-шлюзами.

4.1.1. Возможные варианты архитектуры управления медиа-шлюзами.

4.1.2. Методология проведения анализа.

4.2. Структурная модель сети на базе распределённого шлюза.

4.3. Разработка критериев оценки качества обслуживания трафика протоколов управления медиа-шлюзами.

4.4. Практическая реализация архитектуры распределенного шлюза.

4.5. Применение результатов работы и натурный эксперимент.

4.6. Выводы по главе 4.

Актуальность исследований

Способы управления обслуживанием вызовов в телефонных сетях общего пользования (ТфОП) эволюционировали вместе с развитием телекоммуникационной техники. На современном этапе, характеризующемся конвергенцией сетей с разными технологиями передачи информации и коммутации, стали использоваться новые системы управления обслуживанием вызовов, базирующиеся на принципе декомпозиции шлюзов. Основной идеей декомпозиции шлюзов является физическое разделение функций коммутации и функций управления ею, что порождает новые задачи организации дистанционного управления. Для решения этих задач были разработаны и стандартизированы протоколы управления медиа-шлюзами: MGCP (Media Gateway Control Protocol) [29] и сменивший его H.248/Megaco [38].

Архитектура на базе распределённого шлюза позволяет эффективно использовать интеллектуальные ресурсы сети, отвечающие за базовую логику коммутации пользовательского трафика и обработку сигнализации управления обслуживанием вызовов, путём их централизации в Softswitch, без необходимости дублирования в каждом из сетевых узлов. Помимо этого, централизованное управление коммутационным оборудованием в сети предоставляет возможность воздействия на логику управления соединениями из одной точки, что раскрывает широкие возможности предоставления услуг.

Сегодня управление шлюзами через H.248/Megaco используется в таких перспективных видах архитектуры, как Softswitch, 3-rd Generation Partnership Project - IP Miltimedia Subsystem (3GPP IMS), NGN TISPAN и др. В силу новизны управляющих узлов для этих сетей и отличия их от традиционных узлов управления обслуживанием телефонных вызовов, требуются новые методы построения и расчёта таких новых узлов. Несмотря на технологическую проработанность архитектуры, подобных методик на сегодняшний день практически нет.

Современное оборудование и технологии транспортной сети, например, MPLS (Multiprotocol Label Switching), могут обеспечить большой запас производительности и обеспечить требуемое качество обслуживания (QoS, Quality of Service) пользовательского трафика [59], в то время как оборудование управления соединениями сталкивается с необходимостью обработки всё возрастающего количества команд, передаваемых протоколами сигнализации в процессе управления сессией связи. Этот рост связан со значительным усложнением логики и увеличением количества теле- и инфокоммуникационных услуг. В силу вышеизложенного представляется актуальной задача анализа и расчета вероятностно-временных характеристик (ВВХ) контроллеров медиа-шлюзов в разных вариантах архитектуры на базе распределённого шлюза.

Состояние вопроса. Начало исследований в этом направлении совпало по времени с появлением поколения систем коммутации с программным управлением. В работах P.A. Авакова, Б.С. Гольдштейна, В.О. Игнатьева и целого ряда других авторов исследованы вопросы программного управления коммутационными системами, но эти исследования ограничены узлами коммутации п, естественно, не рассматривают сетевую архитектуру NGN, когда от Оператора связи или проектировщика зависит не только интенсивность нагрузки каждого узла, но и сама конфигурация распределённой сети связи. Уже из этих работ видно, что наиболее адекватной моделью обработки сигнального трафика, поступающего от удалённых коммутационных элементов является циклическое обслуживание.

В более поздних работах и в документах ITU, IETF, ETSI и других стандартизующих организаций [19], [20], [26], [1-9], [57], [14] рассмотрены технические решения, предусматривающие физическую декомпозицию управления и коммутации, но они ориентированы на инженерное применение и не позволяют заранее рассчитать сетевую архитектуру и ВВХ предоставляемых на её базе услуг.

Научные основания для такого расчёта содержатся в работах Боксма (О.J. Вохта), Фурмана (S.W. Fuhrmann), Такаги (H.Takagi), Кюна (Kuehn Р. J), Ванга (Y.T. Wang), Эверитта (D.Everitt) п других [77], [90], [89], [88], [114], [104], [83], [78], [103], [110], [84], [53], [111], где исследуются различные дисциплины циклического обслуживания как в общем виде, так и применительно к таким технологиям как TDM (Time Division Multiplex), Token Ring, Bluetooth и прочим. К сожалению, ни в одной из этих работ не учитывается специфика управления медиа-шлюзами или хотя бы подобными устройствами (Session Border controller, Media Server).

В рекомендациях ITU-T [15], [23], [22], [16], [13] указаны нормативные временные значения для каждого из этапов обслуживания при предоставлении разных телекоммуникационных услуг, часть которых может быть организована с использованием медиа-шлюзов, однако не даётся ответов, как их можно связать с требованиями к реальным модулям, входящим в состав системы управления вызовами. Для этого нужно использовать математическую модель, которая покажет влияние каждого из модулей на любой нормируемый параметр.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в разработке моделей и методов управления медиа-шлюзами в разных видах сетевой архитектуры, характерных для NGN, анализе ВВХ и синтезе стратегии циклического обслуживания на базе этого анализа.

Разработанные модели должны обеспечить возможность прогнозировать соблюдение нормативных показателей QoS для услуг VoIP, предоставляемых на базе распределённого шлюза.

Поставленная цель определила необходимость решения следующих , задач:

1) анализ возможных конфигураций взаимодействия узлов сети NGN на базе распределённого шлюза и их влияния на процессы управления;

2) разработка функциональной модели на базе архитектуры распределённого шлюза, которая будет отражать процессы управления медиа-шлюзом в сетевой архитектуре NGN;

3) разработка аналитической модели дисциплин циклического опроса медиа-шлюзов для обработки сигнального трафика в контроллере медиа-шлюзов;

4) расчёт ВВХ сети на базе распределённого шлюза и сравнительный анализ ВВХ с использованием различных дисциплин циклического опроса при обработке сигнального трафика управления медиа-шлюзами;

5) анализ метода определения оптимальных параметров модели циклического опроса при указанных конфигурации и параметрах сети;

6) разработка критериев оценки работы системы управления медиа-шлюзами.

Методы исследования. Основным математическим аппаратом в работе является теория массового обслуживания (теория очередей), с помощью которой разрабатывается модель обслуживания сигнального трафика протоколов управления медиа-шлюзами в узле управления Softswitch (SSW).

Научная новизна работы состоит в предмете исследования -управлении обслуживанием вызова в архитектуре распределённого шлюза, разработке математической модели узла управления шлюзами (Media gateway Controller (MGC), Softswitch, Media Gateway Control Function (MGCF)), в разработке критериев оценки моделей управления медиа-шлюзами, а также в разработке алгоритма определения ВВХ.

Личный вклад. Все результаты, составляющие содержание данной работы получены автором лично. В работах [59], [61], [62], [64-66], [69], [70], [72], [73], выполненных в соавторстве, автору принадлежат математические модели и теоретические результаты.

Практическая ценность результатов работы. Теоретические исследования, выполненные в работе, доведены до инженерных решений.

Основные результаты работы использованы ФГУП ЛОНИИС и в контрактных работах с компаниями:

НТЦ «Протей» - при построении оборудования мультисервисного абонентского концентратора (iMAK) с функциями медиа-шлюза и мультисервисного коммутатора доступа (МКД), являющегося аппаратурой класса Softswitch;

НТЦ «Аргус» - при разработке платформы OSS; а также в

Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича - при организации учебного процесса.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции IEEE «110 лет изобретения радио» (СПб, 2005), на Международном телекоммуникационном симпозиуме «Мобильная связь» (СПб, 2006), а также на ежегодных научно-технических конференциях (профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов; студентов и аспирантов) СПбГУТ с 2004 по 2009 год.

Публикации. По материалам данной диссертационной работы в научно-технических журналах и в трудах международных и всероссийских научных конференций опубликовано 13 печатных работ, из них - одна монография и одно учебное пособие.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем пояснительной записки 150 страниц, 53 иллюстрации, список литературы насчитывает 114 наименований. В качестве приложений приведены акты о внедрении результатов диссертационной работы.

4.6.Выводы по главе 4

1. Анализ возможных конфигурациий и взаимодействия управляющих и управляемых устройств в сети на базе распределённого шлюза показал, что конфигурации любой сложности можно свести к анализу комплекса простейших конфигураций, на которые ориентирована разработанная в диссертации модель.

2. Структурная модель сети на базе архитектуры распределённого шлюза, позволяет оценить влияние элементов архитектуры на параметры расчёта, используемые в математической модели.

3. Нормирующие значения для оценки функционирования систем управления медиа-шлюзами могут быть получены из существующих требований к сетям ISDN, IN и IP, определенных в рекомендациях ITU-Т.

4. Натурный эксперимент, проведённый на базе практической реализации архитектуры управления медиа-шлюзами НТЦ ПРОТЕЙ, подтвердил результаты расчётов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе исследованы процессы поступления транзакций в систему управления медиа-шлюзами и их обработки. Разработаны методы расчёта ВВХ, определяющих качество предоставления услуг связи через медиа-шлюзы.

В работе получены следующие основные результаты:

1) анализ возможных конфигураций взаимодействия узлов сети NGN на базе распределённого шлюза показал, что для проведения расчётов возможно сведение сложных конфигураций к совокупности простейших;

2) разработана функциональная модель архитектуры распределённого шлюза, отражающая процессы управления медиа-шлюзом в сетевых архитектурах NGN;

3) разработана аналитическая модель дисциплин циклического опроса очередей сообщений от медиа-шлюзов при обработке сигнального трафика в контроллере медиа-шлюзов;

4) расчёт ВВХ сети на базе распределённого шлюза позволил проанализировать взаимное влияние параметров сетевой архитектуры. Сравнительный анализ ВВХ при использовании разных дисциплин циклического опроса выявил минимальное преимущество дисциплины E-Limited по критерию времени ожидания в очереди;

5) предложенный метод определения оптимальных параметров модели циклического опроса при указанных конфигурации и параметрах сети приблизил модель с дисциплиной limited к показателям модели с исчерпывающим обслуживанием;

6) разработан алгоритм расчёта ВВХ сети на базе распределённого шлюза;

7) разработан численный критерий оценки эффективности системы управления медиа-шлюзами и методика определения его значений.