автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Научно-технические разработки по усовершенствованию протокола резервирования ресурсов в пакетных сетях связи

На правах рукописи

Виноградов Алексей Юрьевич

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПО УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ПРОТОКОЛА РЕЗЕРВИРОВАНИЯ РЕСУРСОВ В ПАКЕТНЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

Специальность 05.13.13 - 'Телекоммуникационные системы и компьютерные сети"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2003

Работа выполнена в Московском Государственном Университете Экономики, Статистики и Информатики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Пятибратов А.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Назаров Станислав Викторович

доктор технических наук, профессор Быстрое Игорь Иванович

Ведущая организация: Московский научно-исследовательский

центр Министерства РФ по связи и информатизации

Защита состоится 200 ?т. в_часов

на заседании диссертационного совета Д002.073.01 при Институте проблем информатики РАН по адресу: г.Москва, ул. Вавилова д.44 корп. 2 тел. (095) 135-62-60

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем информатики РАН

Автореферат разослан " /3 " 2003г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н.

Гринченко С.Н.

\?оо?

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Современный этап развития пакетных сетей связи идет по пути интеграции передачи через пакетную сеть различного типа трафика, такого как данные, речь, видео. При этом речевой трафик относится к типу трафика критичного как к потерям пакетов, так и к задержке при их передаче через пакетную сеть. В связи с этим, одной из задач интеграции является обеспечение необходимого уровня качества обслуживания речевого трафика в пакетных сетях связи, который достигается за счет значительного сокращения потерь пакетов, уменьшения величины задержки передачи речевых пакетов и вариации задержки между речевыми пакетами. Возникновение при передаче речи через пакетную сеть перечисленных выше факторов приводит к ухудшению разборчивости речи, появлению пауз в разговоре, пропаданию отдельных фраз и возникновению эффекта "эха", что отражается на качестве принимаемого абонентом речевого сигнала.

В настоящее время за рубежом ведутся многочисленные исследования по разработке механизмов и протоколов, обеспечивающих необходимый уровень качества обслуживания речевого трафика в пакетных сетях связи. Это в основном связано с тем, что все больше операторов связи, помимо услуг передачи трафика данных, предоставляют услуги по передаче речевого трафика через свои пакетные сети. При этом основная трудность в реализации протоколов и механизмов заключается в том, что разработанные ранее протоколы и механизмы пакетной передачи не были ориентированы на передачу трафика, критичного к потерям и задержкам пакетов при их передаче через пакетную сеть. В связи с этим, на сегодняшний день значительный интерес представляет собой разработка механизмов и протоколов, выполняющих приоритетное обслуживание речевых пакетов на устройствах маршрутизации и гарантирующих необходимую полосу пропускания на всем пути передачи речевых пакетов через пакетную сеть.

Одним из механизмов, гарантирующих необходимую полосу пропускания, является протокол резервирования ресурсов (ЯБУР), разработанный Инженерной рабочей группой проблем Интернет (ПЛТ). Протокол Л5УР по запросу приложения выполняет резервирование необходимой полосы пропускания на всех устройствах маршрутизации от источника до получателя данных в пакетной сети связи. В результате завершения процедуры резервирования обеспечивается строго определенная полоса пропускания в канале связи для передачи данного типа трафика.

Но несмотря на преимущества использования протокола RSVP для решения задач по обеспечению необходимого уровня качества обслуживания речевого трафика в пакетных сетях связи, данный протокол так и не получил своего широкого применения. Этому причиной послужило то, что при разработке протокола RSVP не учитывались такие факторы, как: время выполнения процедуры резервирования; влияние на производительность оборудования функционирования протокола при выполнении процедуры резервирования одновременно для большого количества речевых потоков, что характерно для пакетных сетей операторов услуг связи; эффективность резервирования необходимой полосы пропускания в канале связи; управляемость протокола при большом количестве узлов маршрутизации.

Альтернативой протоколу RSVP могут служить собственные разработки компаний производителей телекоммуникационного оборудования по резервированию необходимой полосы пропускания и приоритетному обслуживанию речевого трафика, но в этом случае возникает проблема совместимости между оборудованием различных производителей при их использовании как внутри одной пакетной сети связи, так и при взаимодействии между пакетными сетями связи. Разработанная несколькими компаниями производителями телекоммуникационного оборудования технология коммутации меток (MPLS), требует для ее внедрения приобретения дорогостоящего высокопроизводительного телекоммуникационного оборудования и наличия высокоскоростных каналов связи. Это могут себе позволить только операторы услуг связи, владеющие как необходимыми финансовыми средствами и высокоскоростными каналами связи, так и достаточным количеством обслуживающего персонала.

В результате для построения корпоративных сетей связи с возможностью передачи речи через пакетную сеть, на сегодняшний день отсутствует стандартизованные механизмы и протоколы по обеспечению необходимого уровня качества обслуживания речи. В связи с этим, одним из возможных направлений по решению этой задачи является усовершенствование разработанного ранее протокола резервирования ресурсов с целью устранения его основных недостатков и повышения эффективности его применения для решения поставленных задач.

Цель в задачи исследования

Для решения задачи по обеспечению необходимого уровня качества обслуживания речевого трафика в пакетных сетях наиболее целесообразным является усовершенствование существующего протокола резервирования ресурсов. Поэтому целью диссертационной работы

являются научно-технические разработки по усовершенствованию протокола резервирования ресурсов, позволяющие устранить недостатки протокола, повысить эффективность его применения для задач по обеспечению необходимого уровня качества обслуживания речевого трафика в пакетных сетях связи.

В диссертационной работе поставлены задачи, связанные с повышением масштабируемости протокола резервирования ресурсов, сокращением времени задержки установления телефонных соединений при использовании протокола резервирования ресурсов, сокращением времени процедуры настройки протокола администратором пакетной сети связи, а также поставлена задача повышения эффективности процедуры резервирования необходимой полосы пропускания в канале связи.

При решении поставленных задач учитывается экономическая целесообразность разработки, а именно: снижение затрат на разработку, внедрение и обеспечение функционирования усовершенствованного протокола в пакетных сетях связи. Исходя из изложенного, научная проблема диссертационного исследования формулируется следующим образом: "Научно-технические разработки по усовершенствованию протокола резервирования ресурсов". В качестве основных задач исследования в диссертационной работе можно выделить:

выполнение оценки и систематизация существующих методов по обеспечению необходимого уровня качества обслуживания пакетной передачи речи;

разработка усовершенствованного алгоритма функционирования протокола резервирования ресурсов;

разработка методико-математического аппарата оценки эффективности усовершенствований протокола резервирования ресурсов;

разработка системы показателей для оценки эффективности усовершенствований протокола резервирования ресурсов; выбор метода моделирования и построение математической модели процесса функционирования усовершенствованного протокола резервирования ресурсов (УПРР);

проведение экспериментального исследования функционирования УПРР.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования диссертационной работы является усовершенствованный протокол резервирования ресурсов и механизмы по обеспечению' необходимого уровня качества обслуживания речевого трафика в пакетных сетях связи. Предметом исследования является анализ

показателей эффективности функционирования УПРР с помощью имитационного моделирования.

Методы проведенного исследования

В диссертационной работе используются методы теории математической ртатистики, теории массового обслуживания, теории надежности и теории имитационного моделирования.

Научная новизна диссертационного исследования

В ходе выполненного диссертационного исследования разработаны: однопроходной алгоритм работы протокола резервирования ресурсов;

механизм предварительного уведомления маршрутизаторов пакетной сети, обеспечивающий функционирование протокола резервирования ресурсов в автономном режиме без необходимости выполнения предварительных настроек на маршрутизаторах резервируемого пути, а также позволяющий динамически изменять параметры резервирования в случае изменении числа маршрутов телефонных соединений;

механизм динамического перераспределения резервирования ресурсов на основе предложенной маркировки речевых пакетов, принадлежащих речевому потоку экстренного телефонного соединения, что позволяет идентифицировать данные речевые пакеты и согласно требованиям резервирования освободить ресурсы;

методология и методика оценки эффективности функционирования УПРР;

система показателей для оценки целевой (ПЦЭ) и экономической эффективности (ПЭЭ) функционирования УПРР; алгоритмы определения ПЦЭ и ПЭЭ;

математическая модель процессов функционирования УПРР, используемая для оценки целевой и экономической эффективности внесенных усовершенствований;

типовые функциональные модули математической модели, предназначенные для расчета конкретных значений ПЦЭ и ПЭЭ; адаптация алгоритмов и математической модели к оценке эффективности функционирования УПРР; рекомендации по дальнейшему совершенствованию УПРР.

Практическая значимость полученных результатов

В результате проведенного исследования разработаны однопроходной алгоритм функционирования протокола резервирования ресурсов и механизм предварительного уведомления маршрутизаторов о параметрах резервирования. Эти разработки позволили значительно сократить время установления соединения между абонентами пакетной сети при использовании протокола резервирования, повысить эффективность использования доступной полосы пропускания при выполнении процедуры резервирования, повысить эффективность использования полосы пропускания для передачи служебных сообщений протокола резервирования ресурсов и, кроме того, значительно сократить объем выполняемых при организации передачи речи через пакетную сеть администратором сети настроек на маршрутизаторах пакетной сети связи.

Апробация результатов диссертации

По материалам диссертационной работы делались доклады на научных семинарах кафедры Открытых Информационных Систем МЭСИ. На ежегодных конференциях: по электронному бизнесу и коммерции CiscoExpo'2001 (2001г); по электронному бизнесу и коммерции CiscoExpo'2002 (2002г). На ежегодных выставках "Связь-Экспокомм-2001" и "Связь-Экспокомм-2002". Кроме того, материалы диссертации помещены в отчетах по НИР кафедры Открытых Информационных Систем МЭСИ. Апробация разработанного алгоритма функционирования УПРР была выполнения в рамках лаборатории компании системного интегратора ЗАО "КРОК инкорпорейтед" на испытательном стенде пакетной сети связи.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в четырех статьях журнала "Сети и Системы Связи", рекомендованного ВАК для размещения научных статей диссертационных работ, и трех статьях сборника научных трудов академического совета МЭСИ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка условных обозначений, списка из 83 использованных литературных источников в алфавитном порядке, 22 приложений. Полный объем диссертации 207 страниц. Из них: иллюстрации и таблицы - 23 (16 иллюстраций, 7 таблиц), список литературных источников - 6 страниц, приложения - 23 страницы, текст диссертации - 175 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ведении дается краткое описание направления развития пакетных сетей связи и освещаются основные проблемы и задачи по интеграции передачи различного типа трафика через пакетные сети. Приводится обоснование необходимости разработок по усовершенствованию протокола резервирования ресурсов, как одного из механизмов гарантирующих предоставление необходимого уровня качества обслуживания речевого трафика в пакетных сетях связи. Формулируются цель и задачи диссертационного исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проведен анализ факторов, оказывающих существенное влияние на качество передачи речи через пакетную сеть, среди которых были определены такие факторы, как потери речевых пакетов, задержки при передаче речевых пакетов между абонентами пакетной сети и вариация задержки. Приведены причины возникновения потерь речевых пакетов, причины возникновения задержек при передаче речевых пакетов через пакетную сеть, а также перечислены основные типы задержек и дано их краткое описание.

Представлена классификация уровней по обслуживанию различного типа трафика с точки зрения обеспечения необходимого уровня качества обслуживания при передаче речи. Среди приведенных уровней гарантированный уровень выделен как наиболее приемлемый для обслуживания речевого трафика в пакетных сетях связи. Для предоставления гарантированного уровня обслуживания в пакетных сетях связи подчеркивается необходимость разработки и дальнейшего совершенствования механизмов по обеспечению требуемого уровня качества обслуживания речи.

Дается обзор существующих методов и механизмов по обеспечению качества обслуживания речевого трафика в пакетных сетях. В обзоре описаны принципы работы механизмов, приведены их преимущества 1

применения для решения поставленных задач и основные недостатки. Описаны две существующие на сегодняшний день модели по обеспечению необходимого уровня качества обслуживания речевого трафика, а именно: модель интегрированного и дифференцированного обслуживания. Приведены достоинства каждой модели и их основные недостатки. В заключение обзора методов и механизмов по обеспечению необходимого уровня качества обслуживания речевого трафика рассматривается направление по комплексному использованию и управлению этими методами в пакетной сети связи с использованием протокола

резервирования ресурсов (RSVP). Данный протокол, принимая запросы на предоставление необходимого уровня качества обслуживания, гарантирует их выполнение на всем пути передачи пакетов от источника до получателя, используя механизмы по приоритетному обслуживанию речевых пакетов.

Описывается принцип функционирования существующего протокола резервирования ресурсов, который является сигнальным протоколом, использующем два типа служебных сообщений: сообщение типа Path, в котором указываются необходимые характеристики качества обслуживания (граница полосы пропускания, величина задержки и вариация задержки), и сообщение типа Resv, в котором указываются параметры качества обслуживания (метод резервирования, идентификатор информационного потока, спецификация потока данных отправителя). При рассмотрении существующего протокола резервирования ресурсов приводятся основные преимущества использования протокола в пакетных сетях связи для решения задач по обеспечению необходимого уровня качества обслуживания речи. Среди преимуществ особенно подчеркивается универсальность применения протокола при резервировании полосы пропускания для различного типа трафика и предоставление гарантированной полосы пропускания за счет строгого резервирования необходимой полосы пропускания на интерфейсах маршрутизаторов.

Кроме преимуществ протокола резервирования ресурсов, приводится ряд его существенных недостатков, ограничивающих его применение в пакетных сетях связи. К таким недостаткам, прежде всего, относится ряд характеристик функционирования протокола, неэффективное использование полосы пропускания и отсутствие предварительного анализа свободных ресурсов до выполнения процедуры резервирования ресурсов.

Из обзора существующих методов и механизмов по обеспечению необходимого уровня качества обслуживания речевого трафика, рассмотренных недостатков существующего протокола резервирования ресурсов делается вывод об актуальности разработки усовершенствований существующего протокола. При этом формулируются следующие задачи диссертационного исследования:

разработка однопроходного алгоритма работы протокола; разработка механизма предварительного уведомления маршрутизаторов о параметрах резервирования; разработка методико-математического аппарата для оценки эффективности усовершенствований протокола резервирования ресурсов;

разработка системы показателей для оценки эффективности усовершенствований протокола резервирования ресурсов;

выбор метода моделирования и построение математической модели процессов функционирования усовершенствованного протокола резервирования ресурсов (УПРР);

разработка способа экспериментального исследования функционирования УПРР;

разработка рекомендаций по дальнейшему совершенствованию механизма резервирования ресурсов.

Вторая глава посвящена научно-техническим разработкам по усовершенствованию протокола резервирования ресурсов, а именно: разработке однопроходного алгоритма работы протокола, разработке механизма предварительного уведомления маршрутизаторов резервируемого пути, механизма резервирования ресурсов, механизма идентификации речевых пакетов и механизма обработки речевых потоков на маршрутизаторах резервируемого пути.

При разработке механизма предварительного уведомления маршрутизаторов предложена схема взаимодействия резидентной программы протокола резервирования ресурсов с резидентными программами, функционирующими на маршрутизаторах. Предложенная схема позволяет обеспечить передачу протоколу резервирования ресурсов параметров резервирования, которые хранятся в виде записей в таблице "Идентификации", создаваемой протоколом резервирования на речевых шлюзах и на транзитных маршрутизаторах. В качестве основного параметра резервирования выступает величина полосы пропускания, необходимая для передачи речевого потока через пакетную сеть. Вычисление этого параметра осуществляется протоколом резервирования автоматически на основе служебной информации, получаемой от резидентных программ маршрутизатора, т.е. при получении этой служебной информации протокол резервирования ресурсов выполняет обращение к таблице соответствия, по которой определяется величина резервируемой полосы пропускания.

Для организации работы механизма предварительного уведомления маршрутизаторов о параметрах резервирования разработаны два типа служебных сообщений, а именно: служебное сообщение "уведомления" и "подтверждение уведомления". Заполнение полей перечисленных выше служебных сообщений осуществляется протоколом резервирования ресурсов на основе записей таблицы "Идентификации" речевого шлюза источника.

Служебное сообщение "уведомления" используется протоколом резервирования ресурсов для передачи маршрутизаторам резервируемого пути параметров резервирования, а служебное сообщение "подтверждение

уведомления" сообщает речевому шлюзу источнику об успешном выполнении процедуры предварительного уведомления.

Для обеспечения регулярного обновления таблицы "Идентификации" и исключения переполнения количества записей в таблице, на маршрутизаторах резервируемого пути применяется таймер "обновления", указывающий на оставшееся время хранения каждой записи в таблице. При появлении записи в таблице "Идентификации" маршрутизатора запускается таймер обновления, при обнулении которого, соответствующая запись из таблицы удаляется. Для подтверждения активного состояния записей в таблице "Идентификации" проколом резервирования ресурсов повторно через 30 минут генерируется служебное сообщение "уведомления" и рассылается маршрутизаторам резервируемого пути. При этом в случае совпадения информации о параметрах резервирования в служебном сообщении "уведомления" и записи в таблице "Идентификации" маршрутизатора, запись в таблице сохраняется, в случае несовпадения запись в таблицу добавляется.

Для организации работы механизма резервирования разработаны три типа служебных сообщений, а именно: сообщение "запрос ресурса", "отказ ресурса" и "отмена резервирования". Заполнение полей этих служебных сообщений осуществляется протоколом резервирования ресурсов на основе информации, хранимой в записях таблицы "Идентификации". Формирование и передача служебного сообщения "запрос ресурса" выполняется протоколом резервирования ресурсов при получении запроса на резервирование от резидентной программы стека протоколов Н.323. При передаче служебного сообщения "запрос ресурса" по резервируемому маршруту на каждом из маршрутизаторов резервируемого пути выполняется процедура резервирования необходимой полосы пропускания. Формирование служебного сообщения "отказ ресурса" осуществляется транзитным маршрутизатором в случае отсутствия свободных ресурсов для выполнения процедуры резервирования и пересылается речевому шлюзу источнику. Служебное сообщение "отмена резервирования" формируется речевым шлюзом назначения в момент завершения телефонного соединения между абонентами пакетной сети связи и также пересылается речевому шлюзу источнику.

При передаче служебного сообщения "отказ ресурса" или "отмена резервирования" по резервируемому маршруту до речевого шлюза источника, на каждом транзитном маршрутизаторе выполняется процедура отмены резервирования, при которой отменяются все настройки, выполненные на выходном интерфейсе маршрутизатора. Для однозначной идентификации установленных ранее параметров резервирования на выходном интерфейсе маршрутизатора для выполнения процедуры отмены

резервирования и сброса настроек на выходном интерфейсе маршрутизатора, используется транспортный адрес Н.245 который присваивается каждому речевому потоку, формируемому на речевом шлюзе источнике.

При разработке механизма идентификации речевых пакетов, принадлежащих одному речевому потоку, учитывалось требование по сокращению величины задержки обработки речевых пакетов на маршрутизаторе. В связи с этим предложен механизм идентификации на основе поля 'Тип обслуживания" (ТоБ) 1Р заголовка речевых пакетов, в котором пять бит из восьми доступных резервируются для идентификации речевых пакетов. Присвоение идентификатора и заполнение поля 'Тип обслуживания" осуществляется на речевом шлюзе источнике в момент формирования записи в таблице "Идентификации", где одно из полей зарезервировано для хранения информации о присвоенном идентификаторе. Присвоение идентификаторов осуществляется последовательно по возрастающей и в порядке создания записей в таблице "Идентификации" от (0x5 до 0х71>), причем комбинация значения (ОхП>) зарезервирована для тех телефонных маршрутов, которые требуют экстренного установления соединения. На основе предложенного механизма идентификации усовершенствован механизм обработки речевых пакетов в очереди, где для каждого речевого потока на выходном интерфейсе маршрутизатора организуется приоритетная очередь на обработку.

В третьей главе разработаны методология и методика оценки эффективности внесенных усовершенствований в работу протокола резервирования ресурсов в пакетной сети связи. В предлагаемой методологии маршрутизатор рассматривается как человеко-машинная система, в которой усовершенствованный протокол резервирования ресурсов (УПРР) рассматривается как одна из подсистем маршрутизатора, взаимодействующая с другими протоколами (подсистемами) маршрутизатора.

В рамках разработанной методологии оценка эффективности функционирования этой подсистемы маршрутизатора рассматривается как интегральная характеристика, определяющая:

степень соответствия УПРР своему назначению (целевая эффективность);

экономическую целесообразность усовершенствований УПРР (экономическая эффективность).

Разработанная методика представляет собой набор операций, последовательное выполнение которых позволяет определить конкретные значения показателей целевой и экономической эффективности процесса функционирования УПРР, при этом результаты выполнения каждой операции используются при выполнении последующих операций.

Для оценки целевой и экономической эффективности усовершенствований протокола резервирования ресурсов разработана система показателей и алгоритмы определения их значений. К числу показателей целевой эффективности, в наибольшей степени определяющих эффективность функционирования УПРР, относятся следующие основные показатели:

1) Коэффициент времени задержки установления соединения.

где:

КуС - коэффициент времени задержки установления соединения; ТуПрр - время установления соединения по Н.323 при использовании

ТПрр - время установления соединения по Н.323 при использовании существующего протокола резервирования ресурсов.

2) Коэффициент использования полосы пропускания.

где:

КИР - коэффициент использования доступной полосы пропускания; гЬм/{ - резервируемая полоса пропускания для ¡-го речевого потока при функционировании УПРР;

гЬю,'- резервируемая полоса пропускания для ¡-го речевого потока при функционировании существующего протокола резервирования ресурсов;

Ьш - полоса пропускания, занимаемая для передачи служебных сообщений протокола УПРР;

Ьш' - полоса пропускания, занимаемая для передачи служебных сообщений существующего протокола резервирования ресурсов при резервировании полосы пропускания для ¡-го речевого потока;

т - количество речевых потоков, для которых выполняется резервирование.

УПРР:

К

3) Коэффициент времени выполнения процедуры резервирования.

V _ *РЕЗ РЕЗ ~ '

РЕЗ

гае:

Крез - коэффициент времени выполнения резервирования;

Iрю - время выполнения процедуры резервирования при функцион!фовании УПРР;

1'рез - время выполнения процедуры резервирования при функционировании существующего протокола резервирования ресурсов.

4) Коэффициент использования полосы пропускания для передачи служебных сообщений.

Ь\ус

*-ИСС ~ т »

2>с;

где:

Кисс ~ коэффициент использования полосы пропускания;

Ъж? - полоса пропускания, занимаемая для передачи служебных сообщений существующего протокола резервирования ресурсов при резервировании полосы пропускания для Ьго речевого потока;

Ьм>с - полоса пропускания, занимаемая служебными сообщениями УПРР;

т - количество обрабатываемых речевых потоков.

К числу показателей экономической эффективности относятся следующие основные показатели:

1) Годовой экономический эффект: Эг =(АС+АЗ')~КН х(дв) ,

где:

АС - изменение стоимостного эквивалента (в положительную или отрицательную сторону) вероятных годовых потерь при переходе на использование УПРР;

АЗ' - изменение текущих годовых затрат (в положительную или отрицательную сторону) на эксплуатацию, поддержание работоспособности, а также восстановление после сбоев и отказов при переходе на использование УПРР;

АВ - показатель величины необходимых инвестиций на усовершенствование существующего протокола резервирования ресурсов;

Кн - нормативный коэффициент экономической эффективности инвестиций на создание и внедрение протокола резервирования ресурсов.

„ (ДС + ДГ)

2) Коэффициент экономической,эффективности лэ =-т~г-

АЛ

АВ

3) Срок окупаемости капитальных вложений: Т

(АС + АЗ')

4) Среднегодовой экономический эффект: Э/. = (дС + A3')- Кн х АВ

г 5) Полный экономический эффект: эп = (3П№ - 3ШРР )х £ (1 + Е)"

i=i

Для оценки эффективности функционирования УПРР, как одной из подсистем маршрутизатора, в качестве методологического аппарата оценки использовался обобщенный структурный метод (ОСМ). В соответствии с ОСМ алгоритм функционирования усовершенствованного протокола резервирования ресурсов представляется в виде набора математических моделей или типовых функциональных модулей (ТФМ), для которых разработаны математические зависимости процессов функционирования УПРР.

В разработанной математической модели функционирования УПРР при использовании ОСМ выделяются девять этапов, которые соответствуют основным функциональным блокам математической модели функционирования УПРР. В рамках предлагаемой структуры математической модели функционирования УПРР обеспечивается возможность имитации моделируемого процесса на ЭВМ. Процесс 1 имитации заключается в формировании, преобразовании и использовании

случайных событий и величин для вычисления параметров показателей целевой и экономической эффективности. В процессе имитации s полученные параметры моделирования определяются как средние значения

по данным некоторого числа реализаций, что позволяет обеспечить накопление определенного статистического материала. В качестве программного обеспечения (ПО), обеспечивающего возможность моделирования процессов функционирования УПРР с возможностью ввода исходных данных в виде математических зависимостей и графического представления зависимостей основных показателей эффективности, использовался программный продукт MatchCad PLUS.

В четвертой главе описывается экспериментальный стенд пакетной сети связи, в котором используются маршрутизаторы, оснащенные голосовыми модулями с цифровыми и аналоговыми интерфейсами для подключения УАТС и аналоговых телефонных аппаратов. Подключение УАТС по цифровым интерфейсам к маршрутизаторам позволило одновременно устанавливать необходимое количество телефонных соединений между речевыми шлюзами пакетной сети.

Для получения экспериментальных значений при различных скоростных режимах каналов связи между маршрутизаторами пакетной сети использовались синхронные интерфейсы, допускающие изменение скорости передачи в широком диапазоне от 19200Кбит/с до 2Мбиг/с. Для проведения измерений временных значений характеристик функционирования протокола резервирования ресурсов в рамках организованной пакетной сети стенда использовался анализатор протоколов LITE ЗОООЕ производства компании NetTest, выполняющий анализ передаваемых через пакетную сеть служебных пакетов, генерируемых протоколом резервирования ресурсов. При использовании анализатора протоколов LITE ЗОООЕ получены следующие параметры функционирования протокола резервирования ресурсов:

время установления соединения между абонентами пакетной сети при использовании протокола резервирования ресурсов; количество одновременных речевых потоков, для которых успешно выполнялась процедура резервирования, в зависимости от полосы пропускания между речевыми шлюзами;

время отмены резервирования на всех маршрутизаторах резервируемого пути;

возможность использования двух равнозначных маршрутов через пакетную сеть между речевым шлюзом источником и речевым шлюзом назначения.

Для проведения математического моделирования процессов функционирования УПРР выполнена адаптация обобщенной математической модели, учитывающая использование разработанных типовых функциональных модулей. В результате структурная схема алгоритма адаптированной математической модели оценки эффективности функционирования УПРР сведена к выполнению пяти основных этапов.

В качестве исходных данных для выполнения математического моделирования процессов функционирования УПРР были использованы следующие величины:

t'oep - задержка обработки служебных пакетов существующего протокола резервирования ресурсов на маршрутизаторе резервируемого пути;

t'n - задержка передачи служебных пакетов существующего протокола резервирования ресурсов по цифровому каналу связи;

t"o6p - задержка обработки служебных пакетов стека протоколов Н.323 на маршрутизаторе резервируемого пути;

t'n - задержка передачи служебных пакетов стека протоколов Н.323 по цифровому каналу связи;

bwc' - полоса пропускания, занимаемая для передачи служебных сообщений протокола резервирования ресурсов;

г

При проведении математического моделирования с использованием ПО MatchCad PLUS получены следующие основные результаты:

1) Задержка установления соединения Т^ при функционировании существующего протокола резервирования (в зависимости от скорости передачи получена в диапазоне от 690 мсек до 1177 мсек).

2) Задержка установления соединения Тупрр при функционировании усовершенствованного протокола резервирования (в зависимости от скорости передачи получена в диапазоне от 507 мсек до 810 мсек).

Величины задержек для существующего и усовершенствованного протоколов резервирования ресурсов получены при изменениях скорости передачи в канале связи в диапазоне от 19кбит/с до 512кбит/с.

По зависимости, изображенной на рис.1, сделан вывод о уменьшении времени установления соединения при использовании УПРР по сравнению ' с существующем, протоколом резервирования ресурсов, а также

эффективное использование УПРР для задач резервирования на низкоскоростных каналах связи, так как диапазон изменения скорости 1. передачи по сравнению с существующим протоколом резервирования

ресурсов сокращен до 256 Кбит/с.

-.-м - фиияммашоспиалауоомрш*кетмммнм»пре*мма рвмр*|фвМ1ния рмуром

фяммтмостм для оущмтаумцго протоми рмормсромния рмуром

Рисунок 1. Графики зависимости задержки установления соединения от скорости передачи в канале связи.

3) Коэффициент задержки установления соединения Кус в зависимости от скорости передачи в канале связи (получен в диапазоне от 0,67 до 0,718).

Кус

0,74

0,79

ода

•■71

0,70

0,0» 7

0,88 I I

0 100 200 |900 ) 400 ио 1,и в»,..

Рисунок 2. График зависимости коэффициента задержки установления соединения от скорости передачи в канале связи.

По зависимости, изображенной на рис.2, сделан вывод о уменьшении времени задержки установления соединения при использовании УПРР по сравнению с существующим протоколом резервирования ресурсов.

4) Коэффициент использования полосы пропускания Кц получен равным 0,471. При проведении математического моделирования использовалось среднее значение скорости передачи в канале связи, а число одновременно обрабатываемых речевых потоков при использовании кодека 0.729, исходя из условия резервирования 75% от доступной полосы пропускания, было выбрано равным восьми.

Полученные расчеты показывают высокий уровень эффективности использования полосы пропускания в канале связи при выполнении процедуры резервирования для усовершенствованного протокола резервирования ресурсов при скорости передачи в канале связи до 300 Кбит/с.

5) Коэффициент времени выполнения процедуры резервирования КРЕЗ в зависимости от скорости передачи (получен в диапазоне от 0,37 до 0,45).

Рисунок 3. График зависимости коэффициента времени выполнения процедуры резервирования от скорости передачи в канале связи.

Из графика зависимости, изображенном на рис.3 сделан вывод, что при значениях полосы пропускания от 384Кбит/с и выше коэффициейт времени выполнения процедуры резервирования практически не возрастает, что

указывает на эффективное функционирование усовершенствованного протокола на низкоскоростных каналах связи с полосой пропускания от 64 Кбит/с до 384Кбит/с.

Для проведения последующих изысканий по дальнейшему совершенствованию протокола резервирования ресурсов, предложены следующие рекомендации: адаптация алгоритма работы УПРР с протоколом IP версии 6; адаптация алгоритма работы УПРР для поддержки протокола сигнализации SIP в пакетных сетях; адаптация алгоритма работы УПРР с протоколом управления шлюзами (MGCP); разработать механизмы обеспечения безопасности передачи служебных сообщений УПРР; обеспечение функционирования УПРР через MPLS области.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При решении основной задачи, поставленной в диссертационном исследовании, по разработке усовершенствований существующего протокола резервирования ресурсов и оценке эффективности внесенных усовершенствований с помощью имитационного моделирования разработан алгоритм функционирования УПРР, основанный на механизме предварительного уведомления маршрутизаторов о параметрах резервирования. Разработана методология и методика проведения оценки эффективности внесенных усовершенствований и система показателей, позволяющая провести оценку целевой и экономической эффективности УПРР. Разработана математическая модель процессов функционирования УПРР и проведены экспериментальные исследования в рамках организованного стенда пакетной сети связи.

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Разработан однопроходной алгоритм функционирования УПРР, при использовании которого процедура резервирования на маршрутизаторах в пакетной сети связи выполняется за один этап. Это стало возможным благодаря разработке механизма предварительного уведомления маршрутизаторов резервируемого пути о параметрах резервирования. Разработка однопроходного алгоритма позволила сократить время резервирования при функционировании УПРР (это видно на графике зависимости коэффициента времени выполнения процедуры резервирования от величины полосы пропускания в канале связи), а также уменьшить время установления телефонного соединения между абонентами пакетной сети связи (это видно из графика зависимости коэффициента задержки установления соединения от величины полосы пропускания в канале связи).

2. Разработан механизм маркировки речевых пакетов, принадлежащих одному речевому потоку, на основе поля ТоБ заголовка 1Р пакетов. Это позволяет провести идентификацию речевых пакетов на третьем уровне согласно модели взаимодействия открытых систем (081), что значительно снижает нагрузку на центральный процессор маршрутизатора, в результате уменьшается время обработки речевых пакетов.

3. Усовершенствован механизм обработки речевых пакетов на основе МРР-Ш'СЗ, организующий очереди для каждого передаваемого по резервируемому пути речевого потока. Это позволяет уменьшить задержку обработки речевых пакетов в очереди, генерируемых высокопроизводительными кодеками, обладающими высокими коэффициентами сжатия.

4. Обобщен и структурирован метод оценки эффективности функционирования УПРР с помощью аналитико-имитационного моделирования, в рамках которого процесс работы протокола представлен в виде набора разработанных ТФМ, представляющих сбой математические зависимости, описывающие процесс работы УПРР.

5. Разработанная имитационная модель оценки эффективности функционирования УПРР также может быть использована для решения задач оценки при дальнейшем совершенствовании УПРР в рамках предлагаемых рекомендаций.

6. Высокий уровень автоматизации исследования эффективности функционирования УПРР за счет использования специализированных программных продуктов, ориентированных на их применение при моделировании сложных систем, позволяет многократно снизить временные затраты на разработку программно-технических комплексов и проведение экспериментальных исследований на ЭВМ.

7. Проведены экспериментальные исследования функционирования протокола резервирования ресурсов, в рамках которых получены численные результаты основных характеристик функционирования протокола и построены графики зависимостей показателей целевой эффективности от величины скорости передачи в канале связи. На основании полученных результатов сделаны выводы о достоверности используемых исходных данных, соответствии разработанных ТФМ реальному процессу функционирования протокола, а также эффективности внесенных усовершенствований по основным показателям целевой эффективности.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Виноградов А.Ю., Стручков И.А. Конвергенция, или Путь к золотой середине//Сети и системы связи. - 2001. - № 14. - С.88-93 (Личный вклад диссертанта - исследование проблем передачи речи в пакетных сетях связи)

2. Виноградов А.Ю. Новое в RSVP//Cera и системы связи. - 2003. - № 2. -С.32-34

3. Виноградов А.Ю. Новые дополнения к протоколу RSVP. В сб. науч. тр. Академического совета МЭСИ. Выпуск 2./Отв. ред. О.С. Разумов. - М., 2003.-С.15-18

4. Виноградов А.Ю. Основные показатели целевой эффективности функционирования усовершенствованного протокола резервирования ресурсов. В сб. науч. тр. Академического совета МЭСИ. Выпуск 2/Отв. ред. О.С. Разумов. - М., 2003. - С24-26.

5. Виноградов А.Ю. Оценка качества передачи речи по низкоскоростным каналам связи//Сети и системы связи. - 2001. - № 4. - С.64-68

6. Виноградов А.Ю. Процедура предварительного уведомления как один из путей усовершенствования протокола RSVP//Cera и системы связи. -2003.-№8.- С.69-73

7. Виноградов А.Ю. Экспериментальные исследования протокола резервирования ресурсов. В сб. науч. тр. Академического совета МЭСИ. Выпуск 2,/Отв. ред. О.С. Разумов. - М., 2003. - С30-31.

Лицензия ЛР № 020563 от 07.07.97 Подписано к печати 6.08.2003 Формат издания 60x84/16 Печ.л. 1,3 Заказ № 1458

Бум. офсет. №1 Печать офсетная Уч.-изд. л. 1,25 Тираж 100 экз.

Типография издательства МЭСИ. 119501, Москва, Нежинская ул., 7

IJooÇ-

f 1 3 о О 9 7

Введение.

Глава 1. Оценка существующих методов по обеспечению качества пакетной передачи речи на базе протокола IP.

1.1 Факторы, влияющие на качество передачи речи через пакетную сеть.

1.2 Методы и механизмы по обеспечению качества передачи речи через пакетную сеть.

1.3 Модели по обслуживанию речевого трафика в пакетных сетях.

1.4 Механизм резервирования сетевых ресурсов.

1.5 Преимущества и недостатки протокола резервирования сетевых ресурсов RSVP.

речи в пакетных сетях.34

1.7 Постановка задачи исследования.37

1.8 Выводы.41

Глава 2. Разработка предложенией по усовершенствованию протокола резервирования ресурсов.44

2.1 Постановка задачи формирования усовершенствований протокола резервирования ресурсов.44

2.2 Механизмы реализации усовершенствований протокола резервирования ресурсов.44

2.2.1 Механизм предварительного уведомления.44

2.2.2 Формирование таблицы идентификации.49

2.2.3 Механизм резервирования.54

2.2.4 Механизм идентификации речевых пакетов.59

2.2.5 Усовершенствованный механизм обработки речевых пакетов.62

2.3 Алгоритмы функционирования усовершенствованного протокола резервирования ресурсов.67

2.4 Резервирование ресурсов на устройствах маршрутизации.81

2.5 Выводы.84

3. Глава 3. Методико-математический аппарат оценки эффективности усовершенствований протокола резервирования ресурсов.86

3.1 Методология оценки эффективности усовершенствований протокола резервирования ресурсов.86

3.2 Методика оценки эффективности функционирования усовершенствованного протокола резервирования ресурсов.95

3.3 Разработка системы показателей для оценки целевой и экономической эффективности усовершенствований протокола резервирования ресурсов и алгоритмы их определения.107

3.3.1 Показатели целевой эффективности.107

3.3.2 Показатели экономической эффективности.113

3.4 Частные показатели экономической эффективности усовершенствований протокола резервирования ресурсов.121

3.5 Выбор метода моделирования процессов функционирования усовершенствованного протокола резервирования ресурсов с целью определения ПЦЭ и ПЭЭ.123

3.6 Характеристика выбранного метода моделирования.134

3.7 Формирование математической модели процессов функционирования усовершенствованного протокола резервирования ресурса и ее описание.135

3.8 Разработка типовых функциональных модулей математической модели.141

3.9 Выводы.147

4. Глава 4. Экспериментальные исследования функционирования

УПРР.149

4.1. Характеристики стенда для исследования протокола резервирования ресурсов.149

4.2. Адаптация алгоритма и математической модели к оценке целевой и экономической эффективности функционирования УПРР.153

4.3. Исходные данные для оценки и их источники.154

4.4. Результаты экспериментального исследования и адаптированной математической модели.160

4.5. Разработка рекомендаций по совершенствованию протокола резервирования ресурсов.167

4.6. Выводы.169

Заключение.172

Условные обозначения и сокращения.175

Библиографический список использованной литературы.178

Приложения.184

Введение

Актуальность темы диссертации

Современный этап развития пакетных сетей связи идет по пути интеграции передачи различного типа трафика (данные, речь, видео) через пакетную сеть. Одной из задач интеграции является обеспечение необходимого уровня качества обслуживания речевого трафика в пакетных сетях связи. Эта задача связана с уменьшением при передаче речи через пакетную сеть потерь речевых пакетов, величины задержки, при передаче речевых пакетов от одного абонента сети к другому и вариации задержки между речевыми пакетами. При этом поставленная задача усложняется тем, что изначально разрабатываемые протоколы и механизмы передачи данных не были ориентированы на передачу речевого трафика через пакетную сеть. Воздействие на качество речи перечисленных выше факторов проявляется в ухудшении разборчивости речи, появлении пауз в разговоре, пропадании отдельных фраз и возникновения эффекта "эха", все это, безусловно, отражается на качестве принимаемого абонентом речевого сигнала.

Задача обеспечения требуемого уровня качества обслуживания речевого трафика при его передаче через пакетную сеть решается за счет обеспечения: гарантированной полосы пропускания для речевого трафика, минимальной величины задержки и вариации задержки передачи речевых пакетов, а также за счет обеспечения минимального уровня потерь речевых пакетов. Поэтому на сегодняшний день значительный интерес представляет собой разработка механизмов и протоколов, выполняющих приоритетное обслуживание речевых пакетов и гарантирующих необходимую полосу пропускания на всем пути передачи речевых пакетов через пакетную сеть.

В настоящее время за рубежом ведутся многочисленные исследования по разработке механизмов и протоколов, обеспечивающих необходимый уровень качества обслуживания речевого трафика в пакетных сетях связи.

Одним из таких механизмов является протокол резервирования ресурсов (RSVP), разработанный Инженерной рабочей группой проблем Интернет (IETF). Протокол RSVP позволяет выполнять динамическое резервирование полосы пропускания для передачи различного типа трафика от источника до получателя данных, используя механизмы приоритетной обработки трафика. В результате использования протокола резервирования ресурсов обеспечивается строго определенная полоса пропускания в канале связи для передачи каждого речевого потока, минимальная величина задержки передачи речевых пакетов и вариация задержки. Кроме преимуществ использования протокола существуют и ряд существенных недостатков, которые ограничивают его применение для задач, связанных с обеспечением необходимого уровня качества обслуживания речи в пакетных сетях операторов услуг связи с достаточно большим числом узлов маршрутизации.

Цель и задачи исследования

Для решения задачи по обеспечению необходимого уровня качества обслуживания речевого трафика в корпоративных мультисервисных сетях, наиболее целесообразным является усовершенствование существующего протокола RSVP. Поэтому целью диссертационной работы является разработка научно-технических предложений по усовершенствованию существующего протокола резервирования ресурсов, позволяющих устранить недостатки протокола, повысить эффективность его применения для задач обеспечения требуемого уровня качества обслуживания речевого трафика в корпоративных мультисервисных сетях.

В основном диссертационная работа направлена на повышение масштабируемости протокола резервирования ресурсов, уменьшение времени задержки установления телефонных соединений при использовании протокола резервирования, сокращение процедуры настройки протокола администратором пакетной сети связи, а также на повышение эффективности использования доступной для резервирования полосы пропускания в канале связи за счет использования однопроходного алгоритма работы протокола резервирования ресурсов и механизма предварительного уведомления маршрутизаторов пакетной сети о параметрах резервирования для каждого речевого потока. Кроме того, при разработке усовершенствований протокола резервирования ресурсов учитывается экономическая целесообразность разработки, а именно, снижение затрат на разработку, внедрение и обеспечение функционирования (поддержку) усовершенствованного протокола в пакетных сетях связи. Исходя из изложенного, научная проблема диссертационного исследования формулируется следующим образом -Разработка усовершенствованного протокола резервирования ресурсов (УПРР). В качестве основных задач исследования в диссертационной работе можно выделить: проведение оценки и систематизация существующих методов по обеспечению качества пакетной передачи речи на базе протокола IP; разработка усовершенствованного алгоритма работы протокола резервирования ресурсов; разработка методико-математического аппарата оценки эффективности усовершенствований протокола резервирования ресурсов; разработка системы показателей для оценки эффективности усовершенствований протокола резервирования ресурсов; выбор метода моделирования и построение математической модели процесса функционирования усовершенствованного протокола резервирования ресурсов (УПРР); разработка способа экспериментального исследования функционирования УПРР.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования диссертационной работы является разрабатываемый протокол и механизмы по обеспечению необходимого уровня обслуживания речевого трафика в пакетных сетях связи. Предметом исследования является анализ показателей эффективности функционирования УПРР с помощью имитационного моделирования.

Методы проведенного исследования

В диссертационной работе используются методы теории математической статистики, теории массового обслуживания, теории надежности и методы теории имитационного моделирования.

Научная новизна диссертационного исследования

В ходе выполненного диссертационного исследования разработаны: однопроходной алгоритм работы протокола резервирования ресурсов, где инициатором и протоколом отмены резервирования выступает стек протоколов Н.323; механизм предварительного уведомления маршрутизаторов пакетной сети, обеспечивающий функционирование протокола резервирования ресурсов в автономном режиме без необходимости выполнения предварительных настроек на маршрутизаторах резервируемого пути, а также позволяющий динамически изменять параметры резервирования в случае изменения числа маршрутов телефонных соединений; механизм динамического перераспределения резервирования ресурсов на основе предложенной маркировки речевых пакетов, принадлежащих речевому потоку экстренного телефонного соединения, что позволяет идентифицировать данные речевые пакеты и согласно требованиям резервирования освободить ресурсы; методология и методика оценки эффективности функционирования УПРР; система показателей для оценки целевой эффективности (ЦЭ) функционирования УПРР; алгоритмы определения показателей целевой эффективности (ПЦЭ); математическая модель процессов функционирования УПРР, используемая для оценки ЦЭ и экономической эффективности внесенных усовершенствований; типовые функциональные модули (ТФМ) математической модели, предназначенной для определения ПЦЭ; адаптация алгоритмов и математической модели к оценке эффективности функционирования УПРР; рекомендации по совершенствованию УПРР.

Практическая значимость полученных результатов В результате проведенного исследования разработаны однопроходной алгоритм функционирования протокола резервирования ресурсов и механизм предварительного уведомления маршрутизаторов о параметрах резервирования. Эти разработки позволили значительно сократить время установления соединения между абонентами пакетной сети при использовании протокола резервирования; повысить эффективность использования доступной полосы пропускания при выполнении процедуры резервирования; повысить эффективность использования полосы пропускания для передачи служебных сообщений протокола резервирования ресурсов и, кроме того, значительно сократить объем выполняемых при организации передачи речи через пакетную сеть администратором сети настроек на маршрутизаторах пакетной сети связи.

Апробация результатов диссертации

По материалам диссертационной работы делались доклады на научных семинарах кафедры Открытых Информационных Систем МЭСИ. На ежегодных конференциях: по электронному бизнесу и коммерции CiscoExpo'2001 (2001 г); по электронному бизнесу и коммерции CiscoExpo'2002 (2002г). На ежегодных выставках "Связь-Экспокомм-2001" и "Связь-Экспокомм-2002". Кроме того, материалы диссертации помещены в отчетах по НИР кафедры Открытых Информационных Систем МЭСИ. Апробация разработанного алгоритма функционирования УПРР была выполнена в рамках лаборатории ЗАО "КРОК инкорпорейтед" на испытательном стенде пакетной сети связи, описанной в четвертой главе диссертации.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в четырех статьях журнала "Сети и Системы Связи" и трех статьях в сборнике научных трудов академического совета МЭСИ.

4.6. Выводы

Приводится описание стенда пакетной сети связи, который организован для проведения экспериментальных исследований функционирования протокола резервирования ресурсов. В качестве сетевого оборудования для проведения экспериментальных исследований использовались маршрутизаторы производства компании Cisco Systems, поддерживающие цифровые интерфейсы, а также динамические протоколы маршрутизации, стек протоколов Н.323 и протокол резервирования ресурсов RSVP. В рамках экспериментального исследования устанавливалось определенное число телефонных соединений между абонентами пакетной сети, что позволило при помощи аппаратного анализатора протоколов получить численные результаты основных характеристик функционирования протокола резервирования ресурсов. А именно: время установления соединения между абонентами сети при использовании протокола резервирования ресурсов; количество одновременных речевых потоков при варьировании скорости передачи на цифровых каналах связи, для которых было успешно выполнено резервирование необходимой полосы пропускания; время отмены резервирования при завершении телефонных соединений.

Выполнена адаптация алгоритма и обобщенной структуры математической модели процесса функционирования УПРР к оценке его целевой и экономической эффективности. Проведенная адаптация позволила в математической модели учесть разработанные на основе показателей целевой и экономической эффективности типовые функциональные модули, охватывающие реальные процессы функционирования УПРР. При выполнении математического моделирования процесса функционирования УПРР в рамках этой главы определены параметры показателей целевой эффективности, которые выступают в качестве исходных данных для выполнения математического моделирования.

В рамках диссертационного исследования в качестве исходных данных определены следующие параметры: задержка передачи служебного сообщения протокола резервирования ресурсов по цифровому каналу связи; задержка передачи служебного сообщения Н.323 по цифровому каналу связи; полоса пропускания, занимаемая для передачи служебных сообщений протокола резервирования ресурсов; скорость передачи в канале связи и размер служебного пакета существующего протокола резервирования ресурсов в байтах. Для определения значений параметров исходных данных использовались справочные материалы, международные стандарты и инструкции по разработке существующего протокола резервирования ресурсов.

При проведении экспериментальных исследований, согласно адаптированной математической модели процесса функционирования УПРР, получены результаты и построены зависимости по следующим параметрам: задержка установления соединения при функционировании существующего протокола резервирования; задержка установления соединения при функционировании усовершенствованного протокола резервирования; коэффициент задержки установления соединения; коэффициент использования полосы пропускания; коэффициент времени выполнения процедуры резервирования. Графики зависимости построены при изменении параметра скорости передачи в канале связи, как основного параметра, влияющего на задержки передачи информации по каналам связи.

Результаты, полученные по параметрам, относящимся к процессу функционирования существующего протокола резервирования ресурсов, фактически совпадают с результатами, полученными при его экспериментальном исследовании на оборудовании организованного стенда, что говорит о достоверности используемых при моделировании исходных данных и о соответствии разработанных ТФМ реальному процессу функционирования протокола. Результаты, полученные по параметрам, относящиеся к процессу функционирования УПРР, показывают эффективность внесенных усовершенствований по основным показателям целевой эффективности.

На основе результатов, полученных при математическом моделировании процесса функционирования УПРР, даны рекомендации, расширяющие функциональные возможности УПРР в рамках его применения в пакетных сетях связи. Среди рекомендаций затронуты следующие задачи: обеспечение взаимодействия УПРР с другими протоколами сигнализации, используемые в пакетных сетях связи; возможность перехода на использование протокола IP шестой версии; обеспечение безопасности передачи служебных сообщений УПРР через пакетные сети публичного пользования; обеспечение функционирования УПРР через MPLS области.

Заключение

При решении основной задачи диссертационного исследования по разработке усовершенствований существующего протокола резервирования ресурсов и оценке эффективности внесенных усовершенствований с помощью имитационного моделирования, был разработан алгоритм функционирования УПРР, основанный на механизме предварительного уведомления маршрутизаторов о параметрах резервирования. Разработаны методология и методика проведения оценки эффективности внесенных усовершенствований и система показателей, позволяющая провести оценку целевой и экономической эффективности УПРР. Разработана математическая модель процессов функционирования УПРР и проведены экспериментальные исследования в рамках организованного стенда пакетной сети связи.

При этом в диссертационной работе были получены следующие результаты:

1. Разработан однопроходной алгоритм функционирования УПРР, при использовании которого процедура резервирования на маршрутизаторах в пакетной сети связи выполняется за один этап. Это стало возможным благодаря разработке механизма предварительного уведомления маршрутизаторов резервируемого пути о параметрах резервирования. Разработка однопроходного алгоритма позволила значительно сократить время резервирования при функционировании УПРР, это видно на графике зависимости коэффициента времени выполнения процедуры резервирования от величины полосы пропускания в канале связи пакетной сети. А также времени установления телефонного соединения между абонентами пакетной сети связи, это видно из графика зависимости коэффициента задержки установления соединения от величины полосы пропускания в канале связи пакетной сети.

2. Разработан механизм маркировки речевых пакетов, принадлежащих одному речевому потоку, на основе поля ToS заголовка IP пакетов. Это позволяет провести идентификацию речевых пакетов на третьем уровне согласно модели взаимодействия открытых систем (OSI), что значительно снижает нагрузку на центральный процессор маршрутизатора, в результате уменьшается время обработки речевых пакетов.

3. Усовершенствован механизм обработки речевых пакетов на основе MPQ-WFQ, организующий очереди для каждого, передаваемого по резервируемому пути, речевого потока. Это позволяет уменьшить задержку обработки речевых пакетов в очереди, генерируемых высокопроизводительными кодеками, обладающими высокими коэффициентами сжатия.

4. Обобщен и структурирован метод оценки эффективности функционирования УПРР с помощью аналитико-имитационного моделирования. В рамках которого, процесс работы протокола был представлен в виде набора разработанных ТФМ, представляющие сбой математические зависимости, описывающие процесс работы УПРР.

5. Разработанная имитационная модель оценки эффективности функционирования УПРР также может быть использована для решения задач оценки при дальнейшем совершенствовании УПРР в рамках предлагаемых рекомендаций.

6. Высокий уровень автоматизации исследования эффективности функционирования УПРР за счет использования специализированных программных продуктов, ориентированных на их применение при моделировании сложных систем, позволяет многократно снизить временные затраты на разработку программно-технических комплексов и проведение экспериментальных исследований на ЭВМ.

7. Проведены экспериментальные исследования функционирования протокола резервирования ресурсов, в рамках которых получены численные результаты основных характеристик функционирования протокола и построены графики зависимостей показателей целевой эффективности. На основании полученных результатов сделаны выводы о достоверности используемых при моделировании исходных данных, соответствии разработанных ТФМ реальному процессу функционирования протокола, а также эффективности внесенных усовершенствований по основным показателям целевой эффективности.

Условные обозначения и сокращения

АФ Адаптивный фильтр.

МСЭ-Т Международный союз электросвязи и телекоммуникаций.

НТТ Новая техника и технология.

ПО Программное обеспечение.

ПЦЭ Показатели целевой эффективности.

ПЭ Показатели эффективности.

СПД Сеть передачи данных.

ТФМ Типовой функциональный модуль.

ТФС Типовая функциональная структура.

ТфОП Телефонная сеть общего пользования.

УПРР Усовершенствованный протокол резервирования ресурсов.

ЦПОС Центральный процессор обработки сигналов.

ЧМС Человеко-машинная система.

CB-WFQ Class-Based WFQ. Взвешенная очередь, основанная на классах обслуживания.

CNG Comfort Noise Generator. Генератор комфортного шума.

CoS Class of Service. Класс обслуживания.

CQ Custom Queuing. Выборочная очередь.

CRTP Compressed Real-Time Protocol. Протокол компрессии RTP.

Diff-Serv Differentiated Services. Модель дифференцированного обслуживания трафика. FIFO/LIFO First/Last in First Out Queuing. Очередь, в которой обслуживается первый поступивший пакет. IETF Инженерная рабочая группа проблем Интернет.

IntServ Integrated Services Architecture. Модель интегрированного

IP

LLQ MPLS OSI PHB

PPP PQ

PQ-WFQ

QoS RED

RSVP

RTP

TCP TD

ToS обслуживания.

Internet Protocol. Протокол межсетевого взаимодействия. Low Latency Queuing. Очередь с минимальной величиной обработки пакетов.

Multi-Protocol Label Switching. Многопротокольная коммутация по меткам.

Open System Interconnection. Модель взаимодействия открытых систем.

Per-Hop Behavior Forwarding Class. Класс обслуживания, определяющий уровень обслуживания в каждом из сетевых узлов.

Point-to-Point Protocol. Протокола двухсторонней связи. Priority Queuing. Очередь с приоритетами.

Priority Queuing WFQ. Взвешенная очередь, с образованием приоритетной очереди.

Quality of Service. Качество обслуживания.

Random Early Detection. Механизм, выполняющий отбрасывание прибывшего пакета по пороговому значению.

Resource Reservation Protocol. Протокол резервирования ресурсов.

Real-Time Transport Protocol. Протокол передачи информации в режиме реального времени.

Transmission Control Protocol. Протокол управления передачей. Tail Drop. Механизм отбрасывания последнего прибывшего пакета.

Type of Service. Тип обслуживания.

UDP User Datagram Protocol. Протокол передачи дейтаграмм пользователя.

VAD Voice Activity Detection. Детектор одновременной речевой активности.

WFQ Weighted Fair Queuing. Взвешенная очередь.

WRED Weighting Random Early Detection. Механизм, выполняющий отбрасывание прибывшего пакета на основе поля "Тип обслуживания" (ToS) IP пакета.

1. Васильков Ю.В., Василькова Н.Н. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании: Учеб. пособие. М.: Финансы и статистика, 2001.-256 с.

2. Виноградов А.Ю. Новое в RSVP//Cera и системы связи. — 2003. № 2. — С.32-34

3. Виноградов А.Ю. Оценка качества передачи речи по низкоскоростным каналам связи//Сети и системы связи. — 2001. № 4. — С.64-68

4. Виноградов А.Ю., Стручков И.А. Конвергенция, или Путь к золотой середине//Сети и системы связи. — 2001. № 14. — С.88-93

5. Вудс Д. IP-телефония: зри в корень//Сети и системы связи. — 2000. № 3. - С.89-91

6. Вудс Д. MPLS: новый регулировщик движения на сетевых магистралях//Сети и системы связи. —2000. № 12. — С.80-83

7. Гольдштейн Б.С. Протоколы сети доступа. Том 2. М.: Радио и связь, 1999.

8. Гольдштейн Б.С., Ехриель И.М., Рерле Р.Д. Интеллектуальные сети. — М.: Радио и связь, 2000.

9. Гольдштейн Б.С., Пинчук А.В., Суховицкий A.JI. IP-телефония. — М.: Радио и связь, 2001. 336 с.

10. Гордиевский B.JI. Анатомия пакетной передачи речи. Часть I: Пропускная способность//Сети и системы связи. — 2000. № 11. - С.92-98

11. Гордиевский B.JI. Анатомия пакетной передачи речи. Часть II: Качество//Сети и системы связи. 2000. - № 12. - С.74-79

12. Гринфильд Дэвид. Глобальные службы MPLS: опережая время//Журнал сетевых решений. 2002. - № 3. - С.32-38

13. Дохерти Шон. Цифровая конвергенция//Сети и системы связи. 2002. - № 3.-С.72-77

14. Золотов С. Протоколы Internet. СПб.: BHV — Санкт-Петербург, 1998. — 304 с.

15. Иванова Т.И. Корпоративные сети связи. — М.: Эко-Трендз, 2001. — 284 с.

16. Иванова Т.И. Протокол Н.323 в сетях 1Р-телефонии//ТСС. 2000. - №2.

17. Мюнх Б. IP-телефония. Как обеспечить качественную передачу речи. Часть 1//Сети и системы связи. 2000. - № 3. — С.70-79

18. Мюнх Б. IP-телефония. Как обеспечить качественную передачу речи. Часть II //Сети и системы связи. 2000. - № 4. — С.64-72

19. Мюнх Б., Скворцова С. Сигнализация в сетях IP-телефонии. Часть 1//Сети и системы связи. 1999. - № 13. - С.92-98

20. Мюнх Б., Скворцова С. Сигнализация в сетях IP-телефонии. Часть 11//Сети и системы связи. 1999. - № 14. - С.74-79

21. Невдяев JI.M. Телекоммуникационные технологи. Англо-русский толковый словарь-справочник. Под ред. Ю.М. Горностаева. — М.: МЦНТИ, «Мобильные коммуникации», 2002. — 592 с.

22. Новые информационные технологии образования и их обеспечения: Сб. науч. тр. Академического совета МГУЭСИ/Отв. ред. О.С. Разумов. М., 2001. — 140 с.

23. Нолл Томас. Резервирование по сценарию RSVP//CeTH. — 1996. № 9. — С.36-39

24. Парфенов Ю.А., Мирошников Д.Г. «Последняя миля» на медных кабелях. М.: Эко-Трендз, 2001. - 224 с.

25. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник. — 2-е изд., перераб. и доп. Под ред. А.П. Пятибратова. -М.: Финансы и статистика, 2001.-512 с.

26. Росляков А.В., Самсонов М.Ю., Шибаева И.В. IP-телефония. М.: Эко-Трендз, 2001.-252 с.

27. Сабаев Д. Л. Новая волна Уо1Р//Сети и системы связи. 2002. - № 12. — С.71-75

28. Семенов Ю.А. Протоколы и ресурсы Internet. М.: Радио и связь, 1996. -320 с.

29. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учеб. для вузов — 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2001. - 343 с.

30. Солонина А.И., Улахович Д.А., Яковлев Л.А. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. — СПб.: БХВ-Петербург, 2001. — 464 с.

31. Стенсон Том. Судьба конвергенции «в руках» QoS//CeTH. — 1999. № 12. — С.27-31

32. Уайдер С. Функции линейного интерфейса// Справочник по технологиям и средствам связи. Пер. с англ. — М.: Мир, 2000. — С.203-205

33. Уайндер С. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование// Справочник по технологиям и средствам связи. Пер. с англ. — М.: Мир, 2000. — С.191-197

34. Федотов А.Е. RSVP — гарантия качества обслуживания в сетях ТСР/1Р//Сети и системы связи. 1996. - № 7. - С.43-46

35. Хенд Г. Сокращение задержки голоса по IP//LAN Magazine. — 2000. -июль-август. — С.79-83

36. Челноков К.Н., Амелин Д.О., Моррелл Дж. Новый англо-русский русско-английский словарь по компьютерной технике. — Минск: «Уровень А», 2000. -416 с.

37. Configuring RSVP. Cisco Systems Network Protocols Configuration Guide, 2001.

38. Congestion Avoidance Overview. — Cisco IOS Quality of Service Solutions Configuration Guide, 2001.

39. Davidson J., Peters J. Voice Over IP Fundamentals. Cisco Press, 2000.

40. Davidson Jon. Voice Over IP. A Cisco Systems Design Implementation Guide, 1998.

41. Echo Analysis for Voice over IP. Cisco Systems White Paper, 2001.

42. Flanagan William A. Voice over Frame relay. Telecom Books, 1997.

43. Huston Geoff. QoS Strategies for Multiservice Networks. Wiley Computer, 2000.

44. ITU-T Recommendation G.711. Pulse Code Modulation of 3kHz Audio Channel. 1988.

45. ITU-T Recommendation G.723.1. Dual Rate speech coder for multimedia communication transmitting at 5.3 and 6.3 kit / sec. 1996.

46. ITU-T Recommendation G.728. Coding of Speech at 16 kbit / s Using Low-delay Code Excited Linear Prediction (LD-CELP). -1992.

47. ITU-T Recommendation G.729. Speech codec for multimedia telecommunications transmitting at 8 / 13 kbit / s. — 1996.

48. ITU-T Recommendation H.225.0. Call signaling protocols and media stream packetization for packet-based multimedia communication systems. — Geneva, 1998.

49. ITU-T Recommendation H.245. Control protocol for multimedia communication. — Geneva, 1998.

50. ITU-T Recommendation H.323. Packet based multimedia communication systems. Geneva, 1998.

51. Keagy Scott. Integrating Voice and Data Networks. Cisco Press, 2000.

52. Lewis C. Cisco Switched Internetworks: VLANs, ATM & Voice/Data Integration. McGraw Hill. - 1999.

53. Link Efficiency Mechanisms Overview. — Cisco IOS Quality of Service Solutions Configuration Guide, 2001.

54. Low Latency Queueing. Cisco Systems White Paper, 2001.

55. Media S., Lewis E. Configuring Cisco Voice over IP. Syngress Media Inc. —1999.

56. Miller M. Voice Over IP: Strategies for Converged Network. IDG Books. —2000.

57. Quality of Service (QoS) Networking. Cisco Systems Internetworking Technology Overview, 1999.

58. Quality of Service for Voice over IP. Cisco Systems White Paper, 2001.

59. Quality of Service Basics. Cisco Systems White Paper, 2001.

60. Resource Reservation Protocol (RSVP). Cisco Systems Internetworking Technology Overview, 2001.

61. RFC 768. User Datagram Protocol. DARPA Internet Program Protocol Specification, September 1981.

62. RFC 791. Internet Protocol. DARPA Internet Program Protocol Specification, September 1981.

63. RFC 793. Transmission Control Protocol. DARPA Internet Program Protocol Specification, September 1981.

64. RFC 1134. Point-to-Point Protocol.

65. RFC 1633. Integrated Servises in the Internet Architecture, June 1994.

66. RFC 1889. RTP: A Transport Protocol for Real-Time Application, January 1996.

67. RFC 2205. Resource Reservation Protocol (RSVP). Ver.l. Functional Specification. September 1997.

68. RFC 2211. Specification of the Controlled-Load Network Element Service, September 1997.

69. RFC 2212. Specification of Guaranted Quality of Service, September 1997.

70. RFC 2508. Compressing IP/UDP/RTP Headers for Low-Speed Serial Links, February 1999

71. RFC 2543.SIP: Session Initiation Protocol. M. Handley, H. Schulzrinne, E.Schooler, J.Rosenberg, March 1999.

72. RFC 2705. Media Gateway Control Networking. (MGCP) Version 1.0. M. Arango, A. Dugan, I. Elliott, C. Huitema, S. Pickett. October 1999.

73. RFC 2961. RSVP Refresh Overhead Reduction Extensions. April 2001.

74. RFC 2998. Integrated Services Over Diffserv Networks. November 2000.

75. RFC 3175. RSVP Reservation Agregation. September 2001.

76. RSVP Support for Low Latency Queueing. — Cisco Systems White Paper, 2000.

77. Srinivas Vegesna. IP Quality of Service. Cisco Press, 2001.

78. Understanding Delay in Packet Voice Network. Cisco Systems White Paper, 2001.

79. Voice over IP Per Call Bandwidth Consumption. — A Cisco Systems technical notes, 2000.

80. Voice over IP Quality of Service for Low-Speed PPP Links. Cisco Systems White Paper, 2001.

81. VoIP Call Admission Control Using RSVP. Cisco Systems White Paper, 2001.

82. VoIP QoS Features. A Cisco Systems Presentation, 2000.

83. VoIP with PPP. Cisco Systems White Paper, 2001.

84. Информация для поля "IP адрес источника"

85. Включен механизм компресси заголовков RTP-пакетов

86. Создание нового маршрута телефонного соединения1. Маска набираемого номера1. Тип установленного кодека

87. Информация для поля "IP адрес получателя"

88. Выключен детектор одновременной речевой активности

89. Привязка протокола RSVP к маршруту телефонного вызова1. Диспетчер^r-'-V1.Классификатор ГЯо н о я о и £>1. CD W Оа яо а р я1. CDо v:о о а о йя scd w Я Й cd Я H ECEя я о-aev: EG Я Ся оo\ и0 яtuа ы рэ яо Й cdяс о н а я мcd Wя Й cd я н я о Яс1. Я о