автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Принципы построения имитационных моделей передачи трафика IP-телефонии в корпоративной мультисервисной сети с перегрузками

Направахрукописи

Петунии Сергей Александрович

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ПЕРЕДАЧИ ТРАФИКА ^-ТЕЛЕФОНИИ В КОРПОРАТИВНОЙ МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ С ПЕРЕГРУЗКАМИ

Специальность 05.13.18 - математическое моделирование, численные методы

и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Челябинск - 2004

Работа выполнена в Челябинском государственном университете

Научный руководитель:

Доктор техническихнаук, профессор Мельников Андрей Витальевич.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математическихнаук, профессор Неуважаев Владимир Емельянович; Кандидат физико-ма тема ти ческих наук Соломатин Александр Михайлович.

Ведущая организация:

Институт математики и механики Уральского отделения Российской академии наук (ИММ УрО РАН)

Защита состоится 29 Декабря 2004 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.296.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Челябинский государственный университет» по адресу: 454021, г.Челябинск, ул. Бр.Кашириных, 129.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного университета.

Автореферат разослан "_" ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ -мат. наук, профессор

Ухоботов В.И.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Характерной тенденцией современного этапа развития компьютерных сетей является принципиальное изменение структуры передаваемого трафика. Этот процесс связан, в первую очередь, с интенсивными разработками новых Интернет-приложений, а также конвергенцией традиционных телефонных сетей связи с телекоммуникациями Интернет. Анализ статистики агрегированного трафика большинства корпоративных сетей доступа в Интернет крупных предприятий показывает высокую долю видео- и аудио- потоков данных. Одна из причин проникновения в сети «голоса в пакетах» связана с массовым внедрением технологии IP-телефонии. Обеспечение телефонных разговоров с помощью инфраструктуры каналов Интернет (IP-телефония) относится к группе самых динамично развивающихся услуг связи нового поколения. Можно определенно констатировать, что прогресс Интернет-технологий приводит к созданию интегральной "компьютерно-телефонной" архитектуры, базирующейся на транспортном ядре мультисервисных пакетных IP-сетей.

Основная часть научных исследований последнего десятилетия в области компьютерных сетей посвящена разработке общих или частных моделей Интернет. При этом содержание многих научных публикаций сконцентрировано именно на проблемах эффективной передачи оцифрованного пакетизированного голоса поверх Интернет. Разработаны и теоретически обоснованы специальные архитектуры, протоколы и методы управления для IP-сетей с ориентацией на передачу голосового трафика. При получении этих результатов особенная роль отводится применению аппарата имитационного моделирования. В числе научных школ, внесших важный вклад в разработку концептуальных и имитационных моделей мультисервисных сетей, следует перечислить многие исследовательские центры. В США - это Колумбийский Университет (H.Schulzrinne, W.Jiang), Национальная Лаборатория Лоуренса (S.Floyd) и Калифорнийский Университет в г.Беркли (C.Chuah), в Германии -Институт Открытых Систем FOKUS (H.Sanneck), в Великобритании - Лондонский Университет UCL (J.Crowcroft), во Франции - Национальный Институт INRIA (J-C.Bolot), в Италии - Политехнический Институт в г.Турине (J.C.de Martin), в Финляндии - Технологический Университет в г.Хельсинки. Среди отечественных центров, в первую очередь, следует отметить Санкт-Петербургскую научную школу: ЛОНИИС (Б.С.Гольдштейн) и Университет телекоммуникаций им.Бонч-Бруевича, а также ряд исследовательских институтов РАН: Московский Институт Проблем Передачи Информации РАН (С.Н.Степанов), Институт Проблем Информатики РАН (С.ЯШоргин) и др. Анализом и моделированием сетевого трафика занимается большая группа российских ученых, в том числе: О.И Шелухин. В С Заборовский и

др юс шционммш!

ШММПМ I

Отдельной актуальной проблемой остается построение имитационных моделей прикладного характера, специализированных для определенного класса сетей и одновременно ориентированных на программную реализацию в виде законченного продукта. Следует отметить, что проблема построения имитационных моделей для инжиниринга трафика мультисервисных сетей связи сегодня перестает быть чисто академической задачей, необходимой только для обоснования вновь разрабатываемых протоколов или алгоритмов управления. Имитационные модели сетевых процессов, реализованные в виде общедоступного программного обеспечения, становятся для персонала провайдеров Интернет или администраторов корпоративных сетей будничным инструментом, который помогает настраивать конфигурации сетевого оборудования и параметров операционных систем для увеличения их производительности. Поскольку в проводимых исследованиях наблюдается явная концентрация тематики работ вокруг глобальных моделей сквозных архитектур управления ^-сетями, еще широко не внедренных в практику современного Интернета, имеется определенный вакуум в изучении поведения трафика в мультисервисных сетях без качества обслуживания масштаба предприятия. В связи с этим, перспективной, но относительно мало изученной проблемой остается моделирование критичного к обеспечению качества передачи трафика, такого как интерактивный голос, смешанного со структурой современного мультимедийного трафика Интернет, через типовые конфигурации корпоративных сетей. Еще одна особенность построения адекватных имитационных моделей, в большей степени относящаяся к реалиям российских сетей передачи данных, заключается в необходимости включения в модель методов управления трафиком в условиях перегрузки сетевых маршрутизаторов. При этом остается актуальной и собственно разработка новых или модернизация популярных алгоритмов для управления очередями краевых сетевых маршрутизаторов, направленных на улучшение характеристик прохождения трафика реального времени.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка имитационной модели с эффективным алгоритмом управления очередями (вместе с программной реализацией), предназначенной для моделирования и исследования трафика мультисервисной сети с ^-телефонией в условиях всплесков аргегированной нагрузки на магистральном и провайдерском сегменте корпоративной

сети связи с возможностью обеспечения неявной приоритезации для голосового трафика. Внедренческий аспект диссертации заключается в разработке методологии проектирования и конфигурирования реальной корпоративной мультисервисной сети на Урале на основе результатов имитационного моделирования. В рамках диссертационной работы были поставлены и решались следующие, основные задачи:;

• проведение анализа математических моделей основных типов трафика мультисервисных сетей связи для определения моделей сетевой нагрузки;

• разработка концепции имитационной модели для исследования поведения трафика ^-телефонии в структуре типовой нагрузки корпоративной сети в терминах метрик качества обслуживания;

• выбор общедоступного программного обеспечения сетевых имитационных симуляторов, достаточных для формирования нижнего уровня имитационной среды.

• исследование механизмов управления перегрузкой в сетевых маршрутизаторах и разработка алгоритма превентивного сброса пакетов, дружественного к трафику ^-телефонии, с включением его программно реализующего модуля в состав ядра сетевого симулятора,

• разработка методики мониторинга реального трафика корпоративной сети с Р-телефонией для снятия трассировочных статистических дампов и доказательства адекватности имитационной модели;

• разработка методологии построения мультисервисной сети для научных исследований с ^-телефонией и настройки ее конфигурационных параметров по результатам имитационного моделирования для обеспечения качества обслуживания, а также для одновременного выполнения функций городского провайдера Интернет.

Научная новизна. Основные научные результаты диссертации являются новыми, имеют как теоретический, так и практический характер и заключаются в следующем:

• Разработана концептуальная имитационная модель для изучения поведения трафика ^-телефонии в структуре современной типовой нагрузки Интернет в корпоративной сети без качества обслуживания.

• Предложен и исследован с помощью имитационной модели новый оригинальный и эффективный алгоритм rtRED неявной приоритезации трафика реального времени для метода случайного раннего обнаружения перегрузки.

• С использованием результатов имитационного моделирования разработана технология построения мультисервисной сети с ^-телефонией, совмещающая функции корпоративной и операторской сети связи.

Методы исследования. В работе применялся комплексный подход к использованию методов исследований, включающий проведение как теоретических, так и экспериментальных исследований. Применялись методы имитационного моделирования, математический аппарат теории вероятностей и телетрафика, технологии модульного программирования и Интернет-технологий.

Практическая значимость. Исследования по теме диссертации выполнялись автором в течение 1991 -2004гг. в рамках ряда проектов по разработке методов

создания и развития мультисервисной сети доступа в Интернет для Российского Федерального Ядерного Центра - ВНИИ Технической Физики (РФЯЦ-ВНИИТФ) имени академика Е И Забабахина в г Снежинске Полное название этой одной самых крупных телекоммуникационных структур на Урале - Открытая Корпоративная Сеть (ОКС) ВНИИТФ. Были получены следующие практические результаты

• Реализована имитационная модель нового алгоритма управления очередью для маршрутизаторов с неявной приоритезацией трафика IP-телефонии как расширение ядра универсального сетевого симулятора ns-2.

• Разработан программный распределенный многопользовательский пакет РИТМУС в клиент-серверной архитектуре с управлением через web-броузер для исследования поведения трафика корпоративной мультисервисной сети

• Проведено уточнение имитационной модели передачи трафика IP-телефонии в корпоративной сети на базе трассировочной статистики в реальном сегменте ОКС ВНИИТФ

• Полученные результаты моделирования позволили усовершенствовать телекоммуникационную архитектуру ОКС ВНИИТФ, разработанную под руководством автора в середине 90-х годов прошлого столетия и предложить использовать совмещенную корпоративно-операторскую схему управления сетью

Основные результаты диссертационной работы внедрены в ОКС ВНИИТФ (гСнежинск), сети Института Математики и Механики УрО РАН (г.Екатеринбург), и провайдерском узле компании «Интерсвязь» (г.Челябинск), о чем имеются акты внедрения

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции "Research Networking in Russia and other NATO Partners", Москва, 29 сентября-1 октября 1994 г., всероссийском семинаре "Теория и приложения искусственных нейронных сетей", Снежинок, 1-3 апреля 1998г., а также на семинарах, организованных Международным Научно-Техничесхим Центром ISTC в гЛивермор (США, май 1994 г.) и ряде университетов Дании (февраль-март 2002 г)

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения Текст диссертации изложен на 110 листах, включая 102 листа основного машинописного текста с рисунками, таблицами и формулами, списка литературы (128 названий) и приложений

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цели работы, определены ее научная новизна и практическая ценность, полученная при внедрении результатов диссертационного исследования.

Первая глава, «Определение моделей для управления трафиком IP-телефонии в мультимедийном контенте», посвящена описанию методологии построения имитационных моделей корпоративных мультисервисных сетей связи, определению главных метрических показателей, которые характеризуют качество передачи трафика IP-телефонии в структуре Интернет-нагрузки и математической формализации поведения источников этой нагрузки В первом параграфе главы 1 формулируются современные требования к созданию эффективных моделей Интернет-трафика. Данные требования рассматриваются в контексте проблемы, поставленной авторитетными исследователями (Сэлли Флойд и др.), обобщившими типовые допущения, которые обычно делаются при моделировании сетей, и которые могут отрицательно влиять на адекватность моделей. В параграфе представлена общая постановка задачи и предложена методология построения и функционирования реалистической управляемой (непрограммируемой) имитационной модели корпоративной сети с IP-телефонией. Данная методология базируется на следующих принципах:

1. Модель специализирована для изучения поведения сетевых приложений, связанных с интерактивной передачей голоса (VoIP - Voice over IP)

2. Предметной областью модели являются корпоративные сети крупных предприятий без архитектур качества обслуживания с доступом в Интернет и со шлюзами IP-телефонии.

3. Поведение модели исследуется при изменении группы параметров, доступных для конфигурирования сетевыми администраторами, в первую очередь, параметров, связанных с политикой управления очередями в краевом маршрутизаторе при перегрузках.

4. Имитационная модель непосредственно связана с измерительной статистикой характеристик мировых мультисервисных сетей или сети' - объекта моделирования. Эти данные используются как при задании модельных констант и начальной инициализации переменных, так и при калибровке результатов моделирования.

5. Архитектура модели предполагает программную реализацию, ориентированную на удобство ее использования проектировщиками и администраторами мультисервисных сетей и развитый аппарат анализа выходных результатов.

Сгруппируем структурные параметры модели (входные и внутренние) в три структурных блока: модель нагрузки, топологическую модель и модель управления. Если совокупность этих моделей обозначить соответствующей триадой {W, Т. С},

перечень выходных метрик - как {М}, а процедуры задания и проведения сценариев моделирования - как {S}, тогда сеанс моделирования обеспечивает отображение кортежа <{W,T,C}; {S}> в пространство метрик {М}. Предложенная методология также акцентирует важность связи между собственно моделированием и проведением измерений на объекте моделирования. Во втором и третьем параграфах главы 1 представлен характеристический анализ потоков современного Интернета, связанных с ведущими сервисами корпоративных сетей, вводятся критерии оценки качества прохождения мультимедийного пакетного трафика. Данные оценки базируются на понятии Quality of Service - качество обслуживания (КО), которое интерпретируется как множество параметров-метрик и пространство их допустимых

значений для сетевых приложений (табл.1).

Параметры модели Определения и характеристики параметров

Метрики для оценки трассировочного пакетного дампа и поведения очереди (как случайные дискретные величины вида (Л",- = Л'(/.), / = 1,2,...})

Задержка, D, Односторонняя задержка передачи пакета «из конца в конец». Для 1Р-телефонии формализуется суммой 7-ми времен: о.-¿о: где к индексирует следующие временные компоненты: к = 1 (кодирования и сжатие голоса), к = 2 (пакетизация голоса), к = 3 (нахождение в очередях), к-А (передача по каналам связи), к = 5 (маршрутизация пакетов), к = 6 (компенсация джиттера в приемном буфере), к-7 (декодирование голосовых пакетов)

Джиттер, J Показатель изменения временного межпакетного интервала, характеризующий синхронность получения пакетов. Определен по нотации РТР-протокола ^ ^ (|0(/-1,,)!-./,._,) ' 16 = ^RJ -*,)-(5у - V = в и - время посылки и приема пакета

Процент потерь, Li Процент количества недопоставленных пакетов от их общего потока. Метрика характеризует степень перегрузки сетевого транспорта. ^ / - количество принятых пакетов

Метрики очередей маршрутизаторов

Длина очереди, q Количество пакетов в буфере маршрутизатора

Средняя длина, avg4 Усредненное и сглаженное от всплесков количество пакетов

Метрики канала

Утилизация канала, U Показатель степени захвата полосы пропускания канала

Табл.1. Структурные параметры {М}-модели

Для понимания особенностей передачи голосового трафика через транспорт Интернета в четвертом параграфе главы 1 кратко рассмотрены стеково-объектные архитектуры протоколов (Н.323 и SIP) моделируемых мультисервисных сетей. В приведенном обзоре также дается представление о сквозных архитектурах обеспечения КО, таких как Diff-Serv, IntServ и MPLS. В пятом параграфе главы 1

рассматриваются математические модели Мэ1Р-источников и других распространенных типов трафика Интернет с целью их структурной параметризации в модель нагрузки - Щ Строится обобщенная концептуальная имитационная модель корпоративной сети с маршрутизатором для изучения поведения трафика 1Р-телефонии, представленная следующей схемой (рис 1)

трафика Узлы нагрузки в^мв^ Узлы-получатели трафика

Рис. 1. Формальная сетевая модель моделирования трафика IP-телефонии в структуре типовой нагрузки Интернет _

Рассмотрим формальную сетевую имитационную модель с гантелеобразной топологией типа, состоящую из восьми узлов {^.И^./^.Я,,/^,^,^,/^} с тремя типами нагрузок на входе, формируемых соответственно трафиком шлюза IP-телефонии (Р/) и TCP-приложениями Основная TCP-нагрузка задается источниками W/, эмулирующими короткоживущие потоки в Интернет, идущими от web-серверов, а также потоками другой природы (долгоживущими, типа ftp) -f/ . Выходной трафик направляется на три приемных узла для проведения последующего

статистического анализа с помощью введенных выше метрик Для -модели интерактивного голосового трафика VoIP предложена трехуровневая структуризация 1) уровень шлюза, 2) уровень источника и 3) уровень пакета Уровень шлюза определяет основные внешние параметры такие, как тип использованного кодека, наличие механизма подавления пауз и вероятностно-временные характеристики телефонных вызовов В качестве теоретической абстракции уровня единичного источника трафика в работе были выбраны две схемы, названные соответственно ON/OFF VoIP и CBR VoIP. В первом случае его поведение описывается простым ON/OFF-марковским процессом с двумя состояниями или моделью Брэди, где/? иа-вероятности переходов между состояниями В структурную модель (по умолчанию) закладывается вариант со средними значениями ON/OFF-периодов Мр = 352 мсек и Ма = 650 мсек с их экспоненциальным распределением, который принят в

классических статистических измерениях Брэди. Для исследовательских целей в модели имеется (на выбор) несколько распределений типа «тяжелый хвост» t\X>x]~x~a, 0<a<2, х-юа для времени ON/OFF-периодов VJ источник

генерирует пакеты продолжительностью fi мсек с фиксированным межпакетным временным интервалом fa, т.е. внутри периода ведет себя как CBR-источник (с постоянной битовой скоростью). Данная схема поведения источника имитирует кодеки с функцией обнаружения и подавления пауз (так называемой технологией VAD - Voice Activity Detection).

Второй схемой работы голосового VoIP источника, является генератор пакетов с фиксированным количеством пакетов в секунду, равным 1/Ь. который передает как активный голос, так и звуковые паузы. Этот вариант модели нагрузки соответствует большинству старых кодеков оборудования цифровой телефонии. Уровень пакетов имитационной модели нагрузки VoIP-трафика задает структуру и длину RTP/UDP/IP пакета, с помощью которого передается единичная порция оцифрованных и сжатых голосовых данных, а также битовую скорость передачи этого пакета. В имитационной модели нагрузки сформулирован и активно применяется принцип инкапсуляции параметров, который позволяет исследователю работать в привычных ему терминах и с минимальным набором входных данных. Источники Wjvt F/ модели нагрузки {W} генерируют самоподобный TCP-трафик (самоподобный процесс обладает характерным свойством зависимости корреляционной функции и корреляционной

функции своего агрегированного процесса либо

limr„I(Jt) = r(jt)). Структурная модель web-трафика заимствует абстракцию сеанса

SURGE-модели, разработанную Мах и Кровеллой и дополненную современной статистикой Фельдманн. В шестом параграфе главы 1 описаны математические модели качества IP-телефонии и ее метрик.

Во второй главе диссертации, «Исследование и разработка алгоритмов превентивного предотвращения перегрузки для мультимедийного трафика», предложен новый оригинальный алгоритм управления очередью для маршрутизаторов, дружественный к трафику IP-телефонии и относящийся к группе механизмов активного управления очередью (AQM-механизмов). В первом параграфе главы 2 рассматривается постановка проблемы переполнения очередей

в маршрутизаторах и формулируются общие подходы борьбы с перегрузками. Во втором параграфе главы 2 обосновывается использование адаптивных схем активного управления очередями типа раннего случайного сброса пакетов для маршрутизаторов мультисервисных сетей связи без качества обслуживания. В параграфе сделан подробный обзор популярных алгоритмов семейства RED: CHOose and Keep for responsive flows (CHOKe), Stabilized RED (SRED), BLUE, Adaptive RED (ARED), RED-Boston, рассмотрены их достоинства и недостатки в контексте обработки мультимедийного трафика. В третьем параграфе главы 2 представлена презентация алгоритма rtRED, который базируется на единой модифицированной RED/ARED-схеме. Данное расширение также частично реализует некоторые полезные свойства алгоритмов RIO и СНОКе, ориентируя их на идею эффективной обработки VoIP-трафика. В алгоритм rtRED заложены следующие идеи.

1. Пакеты интерактивного голоса передаются в IP-сетях посредством транспортного протокола реального времени - RTP, поэтому в структуру логики работы нового алгоритма введен простой внутренний классификатор пакетов.

2. Вероятность сброса пакета Р вычисляется в зависимости от типа пришедшего пакета по формулам, приведенным в табл.2. На рис.2, дано графическое представление работы алгоритма rtRED. По сравнению с RED в rtRED-алгоритм вводится дополнительный параметр, задаваемый сетевым администратором -верхний порог для приложений реального времени. При

превышении avgt данного порогового значения при приходе пакета реального

времени этот пакет не сбрасывается. При этом запускается механизм штрафования активного «не-Л-потока». '

=avgf'x(l-wt) + w1xq

0, avg, < minrt, V/je*

1. avg? >шахй, V/W*

P„_ _ en% -min, . ,

-5-, Pt =max.x-!-, minrt £ avg, 5 шахл, v-i/7 - лак

1 - count x Pb maxft - minrt

p

---, minrt £avg £rf-maxA, Vrt-пак

\-count*Pk

0, rt - maxtt £ avg, i max«, Vrt - пак где:

=1-exp(-1/C) - весовой коэффициентом очереди, С-пропускная способность канала, д - фактическая длина очереди в буфере, max, - максимальное значение Pt. count-счетчик пакетов отправленных с момента последнего сброса, rt-пак- пакеты класса реального времени, max ft = 3*гтпл

P(*vg,) =

Табл.2. Формулы вычисления вероятности сброса пакетов 3. Для Мэ1Р-пакетов алгоритм уменьшает задержку, которая является важнейшей метрикой приложений реального времен, с помощью минимизации времени их нахождения в очереди маршрутизатора Алгоритм обеспечивает локальную приоритезацию только для РТР-приложений, пытаясь выводить их пакеты из хвоста очереди, где они накапливают время задержки и подвержены сбросу. В гИРЕй это достигается путем сортировки хвоста, проталкивания из "зоны риска" вперед чувствительных к задержке пакетов. Процедура сортировки запускается в секции адаптации.

Рис.2. Дополнительный порог для чувствительных к сбросу и задержке приложений в алгоритме гИРЕй

4. При перегрузочном коллапсе маршрутизатора тотальный сброс пакетов неизбежен. В этом случае, когда показатель потерь пакетов начинает превышать некоторый порог мультимедийный контент (особенно голос и видео) получает серьезные искажения и становится непонятным для восприятия на стороне приемника. В алгоритм сброса пакетов для гИРЕй введено значение порога «понятности» для класса мультимедийных приложений. Данный порог определяется как характеристика вероятности потерь пакетов в математической модели Гильберта с двумя состояниями. Пусть р - вероятность перехода в состояние потерь пакетов, ц - в противоположное состояние. Обозначим через т,, где /'= 1,2,...,п-1, количество

всех потерянных интервалов, которые имеют длину / (т.е. интервалов с подряд / сброшенными пакетами) , причем - длина самого длинного потерянного интервала. Пусть т0 - количество полученных пакетов. Тогда вероятности переходов могут быть выражены через потерянные интервалы и вычислены следующим

образом: р =

Рассмотрим три 1*1 1-2 1-1

показателя, характеризующих потери пакетов условную и безусловную вероятности

и максимальную длину потерянных интервалов. Условную и безусловную

вероятность сброса для активного гЬпотока вычислим по следующим соотношениям:

рс = \~я, р. =——. Тогда можно соответственно предложить три критерия Р + Я

оценки для обнаружения эффекта шторма Л-пакетов в буфере, при > тахЛ: 1) п — \> Ьл(т), 2) рс >Ьл(ре), 3) рч >1*л(рн). При условии возникновения данного события активный поток вычищается из буфера при приходе й-пакета. Для ПЯЕО рекомендован выбор вырианта с р,. Логика работы алгоритма на псевдокоде следующая (Табл.3):

ovgq = 0; count = -1; ры = 0;

По прибытию пакета do

if rt-пак then rtjype = 1; else rtjype = 0;

Вычисляем среднюю длину очереди avgq =(1 -wq)-avgq + Wq ■q;

if avgq < minl4 then InsertQ; return

else

Вычисляем вероятность сброса пакета; count = count +1;

„ _.....aVSl ~ m'nA . p P,i

max^-min,, if minrt < avgq < rt -maxrt then Drop(Pb); return else

if rt - maxA < avgq < max„ then

if rtjype = 0 then Drop(Pb); else InsertO; FineActTCPQ; return

else

if avgq £ maxrt then

if rtjype = 0 then DropCI); else

if p, > Lti then Fine Act RTO; else Drop(I); вычислить новое pw;

end do

Секция ARED: Каждые 0.5 сек do

if avgf > target and max, £ 0.5 then

else if avgq < target and max^ £ 0.01 then

V

max.

SortO; end do

Табл.3. Аалгорит itRED на псевдокоде

Сочетание введенных механизмов rtRED обеспечивает балансировку двух потоков пакетов. При этом алгоритм rtRED не относится к настраиваемым оператором алгоритмам на основе классов, тк. оба класса определяются автоматически. Отметим, что сложность реализации механизма rtRED в маршрутизаторах намного меньше, чем поддержка в них сквозных архитектур с КО и типовых механизмов управления трафиком (например, по сравнению с фирменным Cisco - алгоритмом «взвешенного справедливого обслуживания» WFQ).

В третьей главе диссертации, «Разработка программы и сценариев моделирования трафика IP-телефонии», описанана реализация имитационной модели в виде распределенного программного комплекса РИТМУС (Распределенная Имитация Трафика Мультисервисных Сетей). С помощью пакета РИТМУС выполнено сравнение эффективности работы алгоритмов RED и rtRED, а также проведена оценка адекватности модели. В первом параграфе главы 3 обоснован выбор симуляционного программного обеспечения nerwork simulator-2 (ns-2), разработанного в американской национальной лаборатории им. Лоуренса в г Беркли, в качестве базового уровня для реализации предложенной модели мультисервисной сети с IP-телефонией. Во втором параграфе главы 3 представлена модель, концептуально описанная в предыдущих главах работы и параметризованная в терминах симулятора ns-2. В третьем параграфе главы 3 описана архитектура РИТМУС. В рамках диссертационной работы разработана специальная архитектура, которая помогает целой группе исследователей без программирования составлять разнообразные сценарии моделирования и сразу же в графическом виде с привлечением аппарата статистической обработки изучать его результаты через стандартный web-броузер. Программное обеспечение данного имитатора мультисервисной сети построено как набор "клиент-серверных" взаимодействующих компонентов (Рис.3). Использование имитационного комплекса РИТМУС в исследовательской работе позволяет решить следующие важные задачи:

• формирование интегрированной информационной среды;

• повышение достоверности получаемой, обрабатываемой и хранимой информации, используемой в процессе моделирования;

• сокращение объемов трудоемких операций, увеличение производительности работы исследователей путем автоматизации процедур по получению и обработке информации;

• обеспечение наглядности обрабатываемой информации.

В параграфе предложено несколько сценариев использования РИТМУС для моделирования (рис.5). Для IP-телефонии важно попадание в ту область

пространства QoS, которая гарантирует качественное прохождение ее трафика (рис 4)

сравнительный анализ полученных показателей КО. На рис 5 показан один из результатов сравнения алгоритмов для вектора нагрузки (15,25,10). Основные выводы проведенного исследования заключаются в следующем

1. По сравнению с классическим вариантом ЛЯЕО-алгоритм уменьшает важнейший показатель ИЕО-механизма: среднюю длину очереди, стабилизируя ее значение около порога п - шах,А.

2. Уменьшаются значения основных пакетных метрик КО для \/о1Р-трафика: задержки, джиттера и процента потерь пакетов.

3 Не происходит принципиального увеличения значений пакетных метрик для остальных типов приложений. В связи с адаптивностью ТСР-протокола незначительное ухудшение этих показателей не влияет на качество передачи потоков, не требующих режима реального времени. В четвертом параграфе главы 4 автором предложена схема проведения мониторинговых измерений сетевого трафика с ^-телефонией для реальной корпоративной сети. Описана также методика доказательства адекватности имтационной модели При этом был использован непараметрический критерий Вилкоксона.

Четвертая глава работы, «Создание единой операторской и корпоративной мультисервисной сети для научных исследований», посвящена разработке методологии построения сети доступа в Интернет для градообразующих предприятий системы Закрытых Административно-территориальных Образований (ЗАТО). В главе впервые сделан анализ статистики русскоязычного Мэ1Р-трафика.

В первом параграфе главы 4 представлен ретроспективный обзор строительства отечественных сетей связи, а также история проекта создания в Российском Федеральном Ядерном Центре - ВНИИ Технической Физики (РФЯЦ-ВНИИТФ) в г.Снежинске под руководством автора диссертационной работы первой мультисервисной сети связи на Урале - Открытой Корпоративной Сети ВНИИТФ (ОКС ВНИИТФ). Предложенная методология проектирования компонент сети базируется на уровне-объектной абстракции. В параграфе специфицированы свойства и необходимые объекты для каждого из четырех уровней. В связи поддержкой функций оператора городской сети каждый объект каждого уровня мультисервисной сети связан с одной или двумя зонами обслуживания: "корпоративной" и "операторской". Второй параграф главы 4 посвящен разработке и анализу системы управления 1Р-телефонией. Проведенный анализ статистики внедрения и использования 1Р-телефонии в ОКС ВНИИТФ обусловил следующие выводы:

1. Происходит как рост, так и качественное изменение структуры трафика ОКС ВНИИТФ Доля Мэ1Р-трафика за один год увеличилась с менее 1% до почти 6%.

2 Обеспечено уменьшение величины отношения объема трафика VoIP к длительности телефонных разговоров путем перевода основного контингента клиентов на шлюз с G 729-кодеком, обеспечивающим лучшее сжатие речи

3 Выявлена закономерность в разнице основных характеристик телефонных разговоров IP-телефонии для корпоративной и коммерческой зоны обслуживания продолжительности разговоров (в среднем соответственно 3 и 5 мин), распределения времени звонков (профиль «верблюжий горб» с часовым провалом в обеденный период для корпоративных абонентов, рис 9) и географии вызовов

4 Предоставление корпоративного ресурса IP-телефонии для коммерческого обслуживания не приводит к повышению нагрузки на оборудование и каналы Наоборот, совмещение операторского и корпоративного узла IP-телефонии позволяет обеспечивать круглосуточно равномерную нагрузку и высокую утилизацию оборудования

Рис. 9. Суточное расспределение звонков IP-телефонии ОКС ВНИИТФ

Обработка уникальной статистики русскоязычного трафика 1Р-телефонии крупного научного центра позволила произвести уточнение параметров для типовой имитационной модели мультисервисной сети

Заключение

В диссертационной работе были рассмотрены принципы построения имитационных моделей трафика мультисервисной сети без сквозной архитектуры качества обслуживания с 1Р-телефонией с программной реализацией этих имитационных моделей В качестве исследовательской базы при внедрении разработанных принципов использовалась практика проектирования и создания открытой корпоративной сети ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ в Снежинске Получены следующие результаты

1 Создана комплексная имитационная модель для исследования интерактивного голосового трафика, который порождается приложениями 1Р-телефонии в сетях предприятий Предложены критерии оценки поведения этого типа трафика,

являющиеся функциями от классических пакетных метрик качества обслуживания: задержки, джиггера и процента потерь. Архитектура модели имеет свойство масштабируемости и предполагает программную реализацию с развитым аппаратом анализа выходных результатов, ориентированную на удобство использования администраторами мультисервисных сетей.

2. Разработан оригинальный алгоритм неявной приоритезации трафика реального времени для метода случайного раннего обнаружения перегрузки - rtRED. Данный алгоритм относится к RED-семейству алгоритмов активного управления очередями. Основная идея данной модификации RED заключаются во введении одного поощряющего и двух штрафных механизмов для управления очередью пакетов, а именно:

• проталкивания rt-пакетов в зону буфера с малым риском сброса;

• сброса пакетов активного TCP-приложения в специальной "желтой" зоне;

• штрафной очистки rt-пакетов при коллапсе перегрузки.

Проведенное с помощью имитационного моделирования сравнение алгоритмов RED и rtRED показало большую эффективность последнего с точки зрения обеспечения качества обслуживания для голосового интерактивного трафика. При этом показатели TCP-трафика принципиально не ухудшились.

3. Для проверки адекватности имитационной модели и ее уточнения предложена и реализована схема захвата и измерения сетевого корпоративного трафика. Реальные данные используются как при начальной инициализации модельных констант входных параметров, так и при калибровке результатов моделирования.

4. Создан распределенный программный комплекс РИТМУС для имитационного моделирования трафика мультисервисной сети на базе расширенного ядра универсального сетевого симулятора ns-2. Разработанное программное обеспечение предоставляет оператору/администратору сети свободно распространяемый инструмент настройки сетевых конфигураций и предсказания поведения сетевого трафика.

5. Разработана методология построения мультисервисной корпоративной сети с IP-телефонией, одновременно выполняющей функции узла городского оператора связи. В методике предложена модель описания ресурсов, исходя из их принадлежности двум зонам обслуживания, корпоративной и операторской. Методология внедрена в практике создания открытой корпоративной сети для научных исследований в градообразующем предприятии ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ г.Снежинска.

6. Проведено исследование статистики IP-телефонии ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ. Показана эффективность функционирования оборудования шлюзов IP-телефонии при совмещении корпоративной и операторской схемы управления сетью.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

[ 1 ] КА"Вляковь ГШ Орлов. С А Петунии, "Дисковая операционная система связного процессора сети ЭВМ", - журнал "Вопросы атомной науки и техники Серия Методики и программы численного решения задач математической физики", 1981, вып 1(7) с 46-49

[2] КАБеляков, Г.В.Орлов, САПетунин, "Программное обеспечение связного процессора для сети ЭВМ с "дельта"-конфигурацией", - журнал "Вопросы атомной науки и техники Серия. Методики и программы численного решения задач математической физики", 1983. вып 3(14) с 62-64.

[3] Ю Н Мазурин, Г.П.Охрименко, С А Петунии, "Функциональная структура операционной системы процессора управления данными", - журнал "Вопросы атомной науки и техники. Серия: Методики и программы численного решения задач математической физики", 1983, вып 3(4) с.59-61.

[4] Sergei Petunin, "Network Information Center of Chelyabinsk-70", Proceeding of the NATO Advanced Networking Workshop, pp 92-93. September/October 1994. Golitsyno. Moscow region

[5] Д С.Козодой, С АЛетунин, Ю.Ю.Кузнецов, "Принципы построения сети ядерных материалов", Теория и приложения искусственных нейронных сетей-98, труды семинара, Снежинск, с 26-27,1998.

[6] С А-Петунин, Ю.Ю.Кузнецов, "Интернет и корпоративная сеть ВНИИТФ", Теория и приложения искусственных нейронных сетей-98, труды семинара, Снежинск, с 34,1998

[7] САЛетунин, К.С.Кузнецов, МАДмитриев, ВАВронский, "Создание единой операторской и корпоративной мультисервисной сети для научных исследований', препринт №212, изд. РФЯЦ-ВНИИТФ, 2004.

[8] САПетунин, "Технология построения имитационных моделей трафика мультисервисных сетей с IP-телефонией", препринт №213. изд РФЯЦ-ВНИИТФ, 2004.

[9] САПетунин, "Исследование и разработка алгоритмов превентивного предотвращения перегрузки для мультимедийного трафика", препринт №214, изд РФЯЦ-ВНИИТФ, 2004.

[10] САПетунин, В.ПДубосарский, "Программное обеспечение имитационного моделирования трафика IP-телефонии в структуре типовой нагрузки Интернет", препринт №215. изд. РФЯЦ-ВНИИТФ, 2004.

Подписано в печать 23.11.04 Формат 60x84 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд.л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 355. Бесплатно

ГОУВПО «Челябинский государственный университет» 454021 Челябинск, ул. Братьев Кашириных, 129

Полиграфический участок Издательского центра ЧелГУ 454021 Челябинск, ул. Молодогвардейцев, 576

»2419 1

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТРАФИКОМ IP-ТЕЛЕФОНИИ В МУЛЬТИМЕДИЙНОМ КОНТЕНТЕ.

1.1. Требования для создания адекватных моделей эффективного управления мультимедийным трафиком.

1.2. Характеристики трафика IP-сетей.

1.3. Оценочные показатели и методы достижения качества IP-телефонии

1.4. Архитектура протоколов мультимедийной связи.

1.5. Параметризованная модель передачи трафика IP-телефонии для имитационного моделирования.

1.5.1. Математическая модель источника VoIP-трафика.

1.5.2. Параметры голосовых кодеков и структура пакета данных.

1.5.3. Математическая модель TCP-нагрузки.

1.5.4. Структур!; з лодели генератора источника VoIP-пакетов и web-сеанса.

1.6. Типовые имитационные модели топологий, актуальные для Интернет-провайдера

1.7. Формализованные модели качества IP-телефонии и ее показателей.

1.7.1. Е-модель определения качества голосового трафика.

1.7.2. Математическая модель процесса потерь пакетов.

1.8. Выводы.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ

ПРЕВЕНТИВНОГО ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПЕРЕГРУЗКИ ДЛЯ

МУЛЬТИМЕДИЙНОГО ТРАФИКА.

2.1. Проблема переполнения очередей в маршрутизаторах.

2.1.1. Методы борьбы с перегрузками в IP-сетях.

2.1.2. Влияние механизма сброса хвоста очереди на работу протокола TCP.

2.2. Обзор алгоритмов активного управления очередью.

2.2.1. Алгоритм RED.

2.2.2. Алгоритм СНОКе.

2.2.3. Устойчивый RED (SRED).

2.2.4. Алгоритм BLUE.

2.2.5. Адаптивный RED (ARED).

2.2.6. RED-Boston - вариант управления очередью с учетом задержки.

2.2.7. Имитационное моделирование семейства RED-алгоритмов.

2.3. Разработка алгоритма превентивного предотвращения перегрузки rtRED для мультимедийного трафика.

2.3.1. Постановка задачи.

2.3.2. Описание алгоритма rtRED.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ И СЦЕНАРИЕВ ИМИТАЦИОННОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАФИКА IP-ТЕЛЕФОНИИ.

3.1. Выбор программного обеспечения для имитационного моделирования мультимедийного трафика.

3.2. Параметрическая имитационная модель для исследования трафика пакетной телефонии мультисервисной сети.

3.2.1. Модель нагрузки.

3.2.2. Модели топологии и управления.

3.3. Построение программного имитационного стенда IP-телефонии и проведение моделирования трафика мультисервисной сети.

3.3.1. Архитектура имитационного программного комплекса.

3.3.2. Типовые сценарии моделирования.

3.4. Натурные измерения характеристик трафика IP-телефонии и оценка адекватности имитационной модели.

3.4.1. Методика оценки адекватности имитационной модели для сети с КО

3.4.2. Технология получения выборок экспериментальных данных.

ГЛАВА 4. СОЗДАНИЕ ЕДИНОЙ ОПЕРАТОРСКОЙ И КОРПОРАТИВНОЙ

МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Методология построения Открытой Корпоративной Сети (ОКС) РФЯЦ-ВНИИТФ.

4.1.1. Предпосылки и история создания ОКС ВНИИТФ.

4.1.2. Уровневая и зоновая модели ОКС ВНИИТФ.

4.2. Разработка и анализ системы управления IP-телефонией.

4.2.1. Компоненты системы управления IP-телефонией.

4.2.2. Анализ внедрения и использования IP-телефонии в ОКС ВНИИТФ97 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Актуальность темы. Характерной тенденцией современного этапа развития компьютерных сетей является принципиальное изменение структуры передаваемого трафика. Этот процесс связан, в первую очередь, с интенсивными разработками новых Интернет-приложений, а также конвергенцией традиционных телефонных сетей связи с телекоммуникациями Интернет. Анализ статистики агрегированного трафика большинства корпоративных сетей доступа в Интернет крупных предприятий показывает высокую долю видео- и аудио- потоков данных. Одна из причин проникновения в сети «голоса в пакетах» связана с массовым внедрением технологии IP-телефонии. Обеспечение телефонных разговоров с помощью инфраструктуры каналов Интернет (IP-телефония) относится к группе самых динамично развивающихся услуг связи нового поколения. Можно определенно констатировать, что прогресс Интернет-технологий приводит к созданию интегральной "компьютерно-телефонной" архитектуры, базирующейся на транспортном ядре мультисервисных пакетных IP-сетей.

Основная часть научных исследований последнего десятилетия в области компьютерных сетей посвящена разработке общих или частных моделей Интернет. При этом содержание многих научных публикаций сконцентрировано именно на проблемах эффективной передачи оцифрованного пакетизированного голоса поверх Интернет. Разработаны и теоретически обоснованы специальные архитектуры, протоколы и методы управления для IP-сетей с ориентацией на передачу голосового трафика. При получении этих результатов особенная роль отводится применению аппарата имитационного моделирования. В числе научных школ, внесших важный вклад в разработку концептуальных и имитационных моделей мультисервисных сетей, следует перечислить многие исследовательские центры. В США - это Колумбийский Университет (H.Schulzrinne, W.Jiang), Национальная Лаборатория Лоуренса (S.Floyd) и Калифорнийский Университет в г.Беркли (C.Chuah), в Германии -Институт Открытых Систем FOKUS (H.Sanneck), в Великобритании - Лондонский Университет UCL (J.Crowcroft), во Франции - Национальный Институт INRIA (J-C.Bolot), в Италии - Политехнический Институт в г.Турине (J.C.de Martin), в Финляндии - Технологический Университет в Г.Хельсинки. Среди отечественных центров, в первую очередь, следует отметить Санкт-Петербургскую научную школу: ЛОНИИС (Б.С.Гольдштейн) и Университет телекоммуникаций им.Бонч-Бруевича, а также ряд исследовательских институтов РАН: Московский Институт Проблем Передачи Информации РАН (С.Н.Степанов), Институт Проблем Информатики РАН (С.Я.Шоргин) и др. Анализом и моделированием сетевого трафика занимается большая группа российских ученых, в том числе: О.И.Шелухин, В.С.Заборовский и ДР

Отдельной актуальной проблемой остается построение имитационных моделей прикладного характера, специализированных для определенного класса сетей и одновременно ориентированных на программную реализацию в виде законченного продукта. При создании подобной системы имитационного моделирования целесообразно использовать базу, предоставляемую языками и ядрами универсальных сетевых симуляторов. Следует отметить, что проблема построения имитационных моделей для инжиниринга трафика мультисервисных сетей связи сегодня перестает быть чисто академической задачей, необходимой только для обоснования вновь разрабатываемых протоколов или алгоритмов управления. Имитационные модели сетевых процессов, реализованные в виде общедоступного программного обеспечения, становятся для персонала провайдеров Интернет или администраторов корпоративных сетей будничным инструментом, который помогает настраивать конфигурации сетевого оборудования и параметров операционных систем для увеличения их производительности.

Поскольку в проводимых исследованиях наблюдается явная концентрация тематики работ вокруг глобальных моделей сквозных архитектур управления IP-сетями, еще широко не внедренных в практику современного Интернета, имеется определенный вакуум в изучении поведения трафика в мультисервисных сетях без качества обслуживания масштаба предприятия. В связи с этим, перспективной, но относительно мало изученной проблемой остается моделирование критичного к обеспечению качества передачи трафика, такого как интерактивный голос, смешанного со структурой современного мультимедийного трафика Интернет, через типовые конфигурации корпоративных сетей. В общем случае, данная задача не имеет приемлемого аналитического или статистического решения и требует построения специализированных, относительно упрощенных моделей. Еще одна особенность построения адекватных имитационных моделей, в большей степени относящаяся к реалиям российских сетей передачи данных, заключается в необходимости включения в модель методов управления трафиком в условиях перегрузки сетевых маршрутизаторов. При этом остается актуальной и собственно разработка новых или модернизация популярных алгоритмов для управления очередями краевых сетевых маршрутизаторов, направленных на улучшение характеристик прохождения трафика реального времени.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка имитационной модели с эффективным алгоритмом управления очередями (вместе с программной реализацией), предназначенной для моделирования и исследования трафика мультисервисной сети с IP-телефонией в условиях всплесков аргегированной нагрузки на магистральном и провайдерском сегменте корпоративной сети связи с возможностью обеспечения неявной приоритезации для голосового трафика. Внедренческий аспект диссертации заключается в разработке методологии проектирования и конфигурирования реальной корпоративной мультисервисной сети на Урале на основе результатов имитационного моделирования. В рамках диссертационной работы были поставлены и решались следующие основные задачи:

• проведение анализа математических моделей основных типов трафика мультисервисных сетей связи для определения моделей сетевой нагрузки;

• разработка концепции имитационной модели для исследования поведения трафика IP-телефонии в структуре типовой нагрузки корпоративной сети в терминах метрик качества обслуживания;

• выбор общедоступного программного обеспечения сетевых имитационных симуляторов, достаточных для формирования нижнего уровня имитационной среды;

• исследование механизмов управления перегрузкой в сетевых маршрутизаторах и разработка алгоритма превентивного сброса пакетов, дружественного к трафику IP-телефонии, с включением его программно реализующего модуля в состав ядра сетевого симулятора;

• разработка методики мониторинга реального трафика корпоративной сети с IP-телефонией для снятия трассировочных статистических дампов и доказательства адекватности имитационной модели;

• разработка методологии построения мультисервисной сети для научных исследований с IP-телефонией и настройки ее конфигурационных параметров по результатам имитационного моделирования для обеспечения качества обслуживания, а также для одновременного выполнения функций городского провайдера Интернет.

Научная новизна. Основные научные результаты диссертации являются новыми, имеют как теоретический, так и практический характер и заключаются в следующем:

• Разработана концептуальная имитационная модель для изучения поведения трафика IP-телефонии в структуре современной типовой нагрузки Интернет в корпоративной сети без качества обслуживания.

• Предложен и исследован с помощью имитационной модели новый оригинальный и эффективный алгоритм rtRED неявной приоритезации трафика реального времени для метода случайного раннего обнаружения перегрузки.

• С использованием результатов имитационного моделирования разработана технология построения мультисервисной сети с IP-телефонией, совмещающая функции корпоративной и операторской сети связи.

Методы исследования. В работе применялся комплексный подход к использованию методов исследований, включающий проведение как теоретических, так и экспериментальных исследований. Применялись методы имитационного моделирования, математический аппарат теории вероятностей и телетрафика, технологии модульного программирования и Интернет-технологий.

Практическая значимость. Исследования по теме диссертации выполнялись автором в течение 1991-2004гг. в рамках ряда проектов по разработке методов создания и развития мультисервисной сети доступа в Интернет для Российского Федерального Ядерного Центра - ВНИИ Технической Физики (РФЯЦ-ВНИИТФ) имени академика Е.И.Забабахина в г.Снежинске. Полное название этой одной самых крупных телекоммуникационных структур на Урале - Открытая Корпоративная Сеть (ОКС) ВНИИТФ. Были получены следующие практические результаты:

• Реализована имитационная модель нового алгоритма управления очередью для маршрутизаторов с неявной приоритезацией трафика IP-телефонии как расширение ядра универсального сетевого симулятора ns-2.

• Разработан программный распределенный многопользовательский пакет РИТМУС в клиент-серверной архитектуре с управлением через web-броузер для исследования поведения трафика корпоративной мультисервисной сети. Данный программный комплекс может использоваться сетевыми администраторами мультисервисных корпоративных или провайдерских сетей, а также в учебном процессе высшей школы.

• Проведено уточнение имитационной модели передачи трафика IP-телефонии в корпоративной сети на базе трассировочной статистики в реальном сегменте ОКС ВНИИТФ.

• Полученные результаты моделирования позволили усовершенствовать телекоммуникационную архитектуру ОКС ВНИИТФ, разработанную под руководством автора в середине 90-х годов прошлого столетия и предложить использовать совмещенную корпоративно-операторскую схему управления сетью. К косвенным практическим результатам работы можно отнести организацию в 1996 году одного из первых в истории российского Интернета сеанса видеоконференц-связи с передачей голосового трафика между Россией (с территории Челябинской области) и США.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в ОКС ВНИИТФ (г.Снежинск), сети Института Математики и Механики УрО РАН (г.Екатеринбург), и провайдерском узле компании «Интерсвязь» (г.Челябинск), о чем имеются акты внедрения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции "Research Networking in Russia and other NATO Partners", Москва, 29 сентября-1 октября 1994 г., всероссийском семинаре "Теория и приложения искусственных нейронных сетей", Снежинок, 1-3 апреля 1998г., а также на семинарах, организованных Международным Научно-Техническим Центром ISTC в г.Ливермор (США, май 1994 г.) и ряде университетов Дании (февраль-март 2002 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Текст диссертации изложен на 110 листах, включая 102 листа основного машинописного текста с рисунками, таблицами и формулами, списка литературы (128 названий) и приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе были рассмотрены принципы построения имитационных моделей трафика мультисервисной сети без сквозной архитектуры качества обслуживания с IP-телефонией с программной реализацией этих имитационных моделей. В качестве исследовательской базы при внедрении разработанных принципов использовалась практика проектирования и создания открытой корпоративной сети ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ в г.Снежинске. Получены следующие результаты:

1. Создана комплексная имитационная модель для исследования интерактивного голосового трафика, который порождается приложениями IP-телефонии в сетях предприятий. Предложены критерии оценки поведения этого типа трафика, являющиеся функциями от классических пакетных метрик качества обслуживания: задержки, джиттера и процента потерь. Архитектура модели имеет свойство масштабируемости и предполагает программную реализацию с развитым аппаратом анализа выходных результатов, ориентированную на удобство использования администраторами мультисервисных сетей.

2. Разработан оригинальный алгоритм неявной приоритезации трафика реального времени для метода случайного раннего обнаружения перегрузки - rtRED. Данный алгоритм относится к RED-семейству алгоритмов активного управления очередями. Основная идея данной модификации RED заключаются во введении одного поощряющего и двух штрафных механизмов для управления очередью пакетов, а именно:

• проталкивания rt-пакетов в зону буфера с малым риском сброса;

• сброса пакетов активного TCP-приложения в специальной "желтой" зоне;

• штрафной очистки rt-пакетов при коллапсе перегрузки.

Проведенное с помощью имитационного моделирования сравнение алгоритмов RED и rtRED показало большую эффективность последнего с точки зрения обеспечения качества обслуживания для голосового интерактивного трафика. При этом показатели TCP-трафика принципиально не ухудшились.

3. Для проверки адекватности имитационной модели и ее уточнения предложена и реализована схема захвата и измерения сетевого корпоративного трафика. Реальные данные используются как при начальной инициализации модельных констант входных параметров, так и при калибровке результатов моделирования.

4. Создан распределенный программный комплекс РИТМУС для имитационного моделирования трафика мультисервисной сети на базе расширенного ядра универсального сетевого симулятора ns-2. Разработанное программное обеспечение предоставляет оператору/администратору сети свободно распространяемый инструмент настройки сетевых конфигураций и предсказания поведения сетевого трафика.

5. Разработана методология построения мультисервисной корпоративной сети с IP-телефонией, одновременно выполняющей функции узла городского оператора связи. В методике предложена модель описания ресурсов, исходя из их принадлежности двум зонам обслуживания: корпоративной и операторской. Методология внедрена в практике создания открытой корпоративной сети для научных исследований в градообразующем предприятии ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ г.Снежинска.

6. Проведено исследование статистики IP-телефонии ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ. Показана эффективность функционирования оборудования шлюзов IP-телефонии при совмещении корпоративной и операторской схемы управления сетью.

1. К.А.Беляков, Г.В.Орлов, С.А.Петунин, "Дисковая операционная система связного процессора сети ЭВМ", журнал "Вопросы атомной науки и техники. Серия: Методики и программы численного решения задач математической физики", 1981, вып 1(7) с.46-49.

2. Л.Н.Большее, Н.В.Смирнов, "Таблицы математической статистики", М.: "Наука", 1983.

3. Ш.Вегешна, "Качество обслуживания в сетях IP", Издательский дом Вильяме, 2003.

4. Е.С. Вентцель, "Теория вероятностей", М.: "Высшая школа", 1998.

5. Б. С. Гольдштейн, В.А.Фрейнкман, "Call-центры и компьютерная телефония", СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 2002.

6. Б. С. Гольдштейн, А. В. Пинчук, А. Л. Суховицкий, "IP-телефония (2-е издание)", СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 2003.

7. К.А.Домбровский, "Обработка результатов имитационного моделирования и оценка адекватности модели", сборник статей международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии», Пенза, 2004.

8. А.В.Засецкий, А.Б.Иванов, С.Д.Постников, И.В.Соколов, "Контроль качества в телекоммуникационных сетях", Syrus Systems", Москва, 2001.

9. Д.С.Козодой, С.А.Петунин, Ю.Ю.Кузнецов, "Принципы построения сети ядерных материалов", Теория и приложения искусственных нейронных сетей-98, труды семинара, Снежинск, 1998.

10. М.Кульгин, "Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия", СПб., Питер, 2000.

11. М.Кульгин, "Практика построения компьютерных сетей. Для профессионалов", СПб., Питер, 2001.

12. Е.А.Кучерявый, "ns2 как универсальное средство имитационного моделирования сетей связи", Труды VII междун. конф.: Информационные сети, системы и технологии, Минск, 2001.

13. В.С.Лагутин, С.Н.Степанов, 'Телетрафик мультисервисных сетей связи", "Радио и Связь", Москва, 2000.

14. С.А.Петунин, Ю.Ю.Кузнецов, "Интернет и корпоративная сеть ВНИИТФ", Теория и приложения искусственных нейронных сетей-98, труды семинара, Снежинск, 1998.

15. С.А.Петунин, "Технология построения имитационных моделей трафика мультисервисных сетей с IP-телефонией", Препринт №213, РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 2004.

16. В.Томашевский, Е.Жданова, "Имитационное моделирование в среде GPSS", Бестселлер, 2003.

17. Н.Г.Треногин, Д.Е.Соколов, "Фрактальные свойства сетевого трафика в клиент-серверной информационной системе", Вестник НИИ СУВПТ, сборник научных трудов, вып. 14 Красноярск, 2003.

18. О.И.Шелухин, Н.Ф.Лукьянцев, "Цифровая обработка и передача речи", "Радио и Связь", Москва, 2000.

19. О.И.Шелухин, А.М.Тенякшев, А.В.Осин, "Фрактальные процессы в телекоммуникациях", монография под ред. О.И.Шелухина, "Радиотехника", Москва, 2003.

20. Р.Дж.Шеннон, "Имитационное моделирование систем искусство и наука", М.: Мир, 1978.

21. S.Athuraliya, D. Lapsley, S. Low. "Random early marking for Internet congestion control", In Proceedings of IEEE GLOBECOM, 1999.

22. ATM forum, http://www.atmforum.com.

23. P.Barford, M.Crovella, "Generating representative web workloads for network and server performance evaluation", In Proceedings of the ACM SIGMETRICS, Madison Wl, 1998.

24. A. Barberis, C. Casetti, J.C. De Martin, M. Meo, "A Simulation Study of Adaptive Voice Communications for IP Networks", Computer Communications, Elsevier, Vol. 24, n. 9, May 2001.

25. B.Bellata, M.Oliver, D.Rincon, "Capacity and Traffic Analysis of Voice Services over GPRS Mobile Networks", Technical University of Catalonia, University Pompeu Fabra, 2002.

26. U. Bodin, O. Schelen, S. Pink, "Load-tolerant Differentiation with Active Queue Management", CCR, July, 2000.

27. J.Bolot, "End-to-end Packet Delay and Loss Behavior in the Internet," SIGCOMM'93, pp. 289-298, 1993.

28. J.Bolot, H. Crepin, A. Garcia, "Analysis of Audio Packet Loss in the Internet," Proc/Nossdav, pp. 163-174, 1995.

29. P.T.Brady, "A Technique for Investigating On-Off Patterns of Speech," Bell Sys.Tech. J, vol. XLIV, No.1, pp. 1-22, January 1965.

30. P.T.Brady, "A Statistical Analysis of On-Off Patterns in 16 Conversations," Bell Sys.Tech. J, pp. 73-91, January 1968.

31. P.T.Brady, "A Model for Generating On-Off Speech Patterns in Two-Way Conversation," Bell Sys.Tech. J, pp. 2445-2472, September 1969.

32. E.Casilari, H.Montes, F.Sandoval, "Modelling Voice Traffic over IP Networks", CSNDSP 2002, Network Communications, 2002.

33. M.Christiansen, K.Jeffay, D.Ott, F.Donelson Smith, "Tuning RED for Web Traffic", in Proceedings of ACM Sigcomm, 2000.

34. Cisco, http://www.cisco.com/.

35. R.Cole, J.Rosenbluth, "Voice over IP performance monitoring", ACM Computer Communication Review, 31(2), 2001.

36. T.Dang, B.Sonkoly, S.Molnar, "Fractal Analysis and Modelling of VoIP Traffic", Networks2004, Vienna, Austria, 2004.

37. A.Demers, S.Keshav, S.Shenker, "Analysis and simulation of a fair queueing algorithm", SIGCOMM Symposium on Communications Architectures and Protocols, October 1989.

38. A.Feldmann, A.Gilbert, P.Huang, W.Willinger, "Dynamics of IP traffic: A study of the role of variability and the impact of control", SIGCOMM'99, 1999.

39. W.Feng, D.Kandlur, D.Saha, K.Shin, "Blue: A New Class of Active Queue Management Algorithms", U. Michigan CSE-TR-387-99, April 1999.

40. W.Feng, P.Tinnakornsrisuphap, "The Failure of TCP in High-Performance Computational Grids", High-Performance Networking and Computing Conference, (SC200), Dallas, Texas, 2000.

41. V. Firoiu and M. Borden, "A Study of Active Queue Management for Congestion Control", in Proceedings of IEEE Infocom, 2000.

42. S.Floyd and V.Jacoboson, "Random early detection gate-ways for congestion avoidance", IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 1, no. 4, Aug. 1993.

43. S.Floyd, K.Fall, "Router Mechanisms to Support End-to-End Congestion Control", Technical report, Network Research Group at LBNL, 1997.

44. S.Floyd, K.Fall, "Promoting the use of end-to-end congestion control in the Internet", IEEE/ACM Transaction on Networking, August 1999.

45. Sally Floyd, Ramakrishna Gummadi, and Scott Shenker, "Adaptive RED: An Algorithm for Increasing the Robustness of RED's Active Queue Management", http://www.icir.org/floyd/papers/adaptiveRed.pdf. 2001.

46. S.Floyd, E.Kohler, "Internet Research Needs Better Models", Proc/HotNets-l, 2002.

47. R.J.Gibbens, F.P.Kelly, "Resource pricing and the evolution of congestion control", Automatica, 35: 1999.

48. V. Hardman, M. A. Sasse M. J. Handley, A.Watson, "Reliable Audio for Use over the Internet," Proc/INET, 1995.

49. C.Hollot, V.Misra, D.Towsley, W. Gong, "A Control Theoretic Analysis of RED", in Proceedings of lEEE/lnfocom, 2001.

50. C. Hollot, V. Misra, D. Towsley, W. Gong, "On designing improved controllers for AQM routers supporting TCP flows", In Proceedings of IEEE INFOCOM, 2001.

51. C.Hollot, Y.Liu, V.Misra, D.Towsley, "Unresponsive Flows and AQM performance", in Proceedings of lEEE/lnfocom, 2003.

52. G. lannaccone, M. May, C. Diot. "Aggregate Traffic performance with Active Queue Management and Drop from Tail", ACM SIGCOMM CCR, July 2001.

53. W.Matthews, A.Tirumala, L.Cottrel, T.Dunigan, "Measuring End-to-end Bandwidth with Iperf using Web100", Internet2 Spring Members Meeting, April 9-11, 2003.

54. ITU-T Recommendation E.164, "The international public telecommunication numbering plan", 1997.

55. ITU-T Recommendation G.107, "The E-model, a computational model for use in transmission planning", 1998.

56. ITU-T Recommendation G.108, "Application of the E-model: A planning guide", 1999.

57. ITU-T Recommendation G.113 "Transmission impairments", 1996.

58. ITU-T Recommendation G.711 "Pulse Code Modulation (PCM) of Voice Frequencies", 1988.

59. ITU-T Recommendation G.723.1 "Dual Rate Speech Coders for Multimedia Communication Transmitting at 5.3 and 6.3 kb/s", 1996.

60. ITU-T Recommendation G.726, "40, 32, 24, 16 kbps adaptive differential pulse code modulation (ADPCM)", 1990.

61. ITU-T Recommendation G.728, "Coding of speech at 16 kbps using low-delay, code-excited linear prediction", 1992.

62. ITU-T Recommendation G.729, "C source code and test vectors for implementation verification of the G.729 8 kbps CS-ACELP speech coder", 1996.

63. ITU-T Recommendation P.800, "Methods for subjective determination of transmission quality", 1996.

64. ITU-T Recommendation P.830, "Subjective performance assessment of telephone-band and wideband digital codecs", 1996.

65. ITU-T Recommendation P.861, "Objective quality measurement of telephone-band (300-3400 hz) speech codecs", 1998.

66. ITU-T Recommendation H.323 "Packet Based Multimedia Communications Systems", 1998.

67. ITU-T Recommendation P.59 "Artifical conversation speech", 1993.

68. V.Jacobson, "Congestion avoidance and control", in Proceedings of ACM Sigcomm, 1988.

69. W.Jiang, H.Schulzrinne, "QoS measurement of Real Time Multimedia services on the Internet", Tech Report CUCS-015-99, Columbia University, 1999.

70. W.Jiang, H.Schulzrinne, "Analysis of On-Off Patterns in VoIP and Their Effect on Voice Traffic Aggregation", 2000.

71. F.P.Kelly, A.Maulloo, D.Tan, "Rate control in communication networks: shadow prices, proportional fairness and stability", Journal of the Operational Research Society, 1998.

72. Woo-Hyun Kim, Kyung-Geun Lee, Hyeong-Koo Park, Hyo-jin Lee, Ju-Wook Jang "The Elusive Nature of Internet Traffic", Proceeding Internet Computing and Electronic Commerce, 2001.

73. K.Koguchi, W.Jiang, H.Schulzrinne, "QoS measurement of VoIP end-points", in IEICE Group meeting on Network Systems, Japan, 2002.

74. S.Kode и др., "Traffic Characterization for Heterogeneous Applications", Virginia Tech report, 2001.

75. Thomas J. Kostas, Michael S. Borella, Lkhlaq Sidhu, Guido M. Schuster, Jacek Grabiec, Jerry Mahler, "Real-Time Voice over Packet-Switched Networks", IEEE Network, 1998.

76. James F. Kurose and Keith W. Ross. "Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet". Addison Wesley, 2001.

77. S.Kunniyur, R.Srikant, "End-to-end congestion control: utility functions, random losses and ECN marks", In Proceedings of IEEE INFOCOM, Tel Aviv, Israel, March 2000.

78. Kun-chan Lan, J.Heidemann, "Rapid model parameterization from traffic measurements", USC Information Sciences Institute Report, ISI-TR-561, Aug 1, 2002.

79. W.Leland, M.Taggu и др., "On the self-similar nature of Ethernet traffic", Proc/ACM SIGCOMM'93, 1993.

80. D.Lin and R.Morris, "Dynamics of Random Early Detection", In Proceedings of ACM SIGCOMM' 97, France, October 1997.

81. S.H.Low, D.E.Lapsley, "Optimization flow control, I: Basic algorithm and convergence", IEEE/ACM Transactions on Networking, 1999.

82. M.R.Macedonia, D.P.Brutzman, "MBONE provides audio and video across the Internet", IEEE Computer, vol. 2Z(no. 4), 1994.

83. V.Markovski, "Simulation and Analysis of Loss in IP Networks", M.A.Sc., Engineering Science, Simon Fraser Univserity, 2000.

84. N. F. Maxemchuk, S. Lo, "Measurement and Interpretation of Voice Traffic on the Internet," IEEE International Conference on Communications, vol.1, pp.500-7, 1997.

85. M.May, J.Bolot, C.Diot, B.Lykes, "Reasons Not to Deploy RED", Proc. Of 7th International Workshop on Quality Of Service (IWQoS'99), pp. 260-262, June 1999.

86. A.Mena and J.Heidemann, "An empirical study of real audio traffic", In INFOCOM2000, March 2000.

87. V.Misra, W.Gong, Don Towsley, "Stochastic Differential Equation Modeling and Analysis of TCP Windowsize Behavior", Performance'99, 1999.

88. V.Misra, Wei-Bo Gong, D.F.Towsley, "Fluid-based Analysis of a Network of AQM Routers Supporting TCP Flows with an Application to RED", SIGCOMM, pp. 151-160, 2000.

89. S.B.Moon, J.Kurose, D.Towsley, "Packet Audio Playout Delay Adjustment: Performance Bounds and Algorithms," ACM/Springer Multimedia Systems, vol. 6, pp. 1728, January 1998.

90. R. Morris, "TCP Behavior with Many Flows", in Proceedings of IEEE/ICNP, 1997.

91. Net2phone homepage, Press Releases, October 2001. http://www.net2phone.com/.

92. Network simulator ns-2, http://www.isi.edu/nsnam/ns.97. ns-2, русскоязычный сайт, http://yk.atm.tut.fi/ns2.

93. T.J.Ott, T.V.Lakshman, L.H.Wong, "SRED: Stabilized RED", Proc. IEEE INFOCOM'99, NY, March 21-25,1999.

94. Rong Pan, Balaji Prabhakar, Konstantinos Psounis. "CHOKE, A Stateless Active Queue Management Scheme for Approximating Fair Bandwidth Allocation", IEEE INFOCOM 2000.

95. V.Paxson, S.Floyd, "Wide-Area Traffic: The Failure of Poisson Modeling", IEEE/ACM Transactions of Networking, 1995.

96. V.Phirke, M.CIaypool, R.Kinicki, "Traffic Sensitive Active Queue Management for Improved Multimedia Streaming", In Proceedings of the International Workshop on QoS in Multiservice IP Networks, Milano, Italy, February 2003.

97. V.Petroff, "Self-Similar Network Nraffic: From Chaos and Fractals to Forecasting and QoS", NEW2AN, 2004.

98. Sergei Petunin, "Network Information Center of Chelyabinsk-70", Proceeding of the NATO Advanced Networking Workshop, September/October 1994, Golitsyno, Moscow region.

99. J.Postel, "Transmission Control Protocol", STD 7, RFC 793, September 1981.105. "QUASIMODO, P906/D2 Report", 2001. http://www.eurescom.de.

100. K.Ramakrishnan, S.Floyd, D.Black, "The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP", RFC 3168, Proposed Standard, 2001.

101. R. Ramjee, J. Kurose, D. Towsley, H. Schulzrinne,' "Adaptive Playout Mechanisms for Packetized Audio Applications in Wide-Area Networks," Proc. IEEE Infocom, vol. 2, pp. 680-8, April 1994.

102. RFC 1633, "Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview", R.Braden, и др., 1994.

103. RFC 1889, "RTP: a transport protocol for real-time applications", H.Schulzrinne, S.Casner, R.Frederick, V.Jacobson, Network Working Group, 1996.

104. RFC 1945, "Hypertext Transfer Protocol HTTP/1.0", T. Berners-Lee, R. Fielding, H. Frystyk, Network Working Group.

105. RFC 2001, "TCP Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Retransmit, and Fast Recovery Algorithms", W.Stevens, 1997.

106. RFC 2205, "Resource ReSerVation Protocol (RSVP) Functional Specification", R.Braden, L.Zhang, S.Berson, S.Herzog, S.Jamin, 1997.

107. RFC 2326, "Real Time Streaming Protocol (RTSP)", H.Schulzrinne, A.Rao, R.Lanphier, 1998.

108. RFC 2327, "SDP: Session Description Protocol", M.Handley, V. Jacobson, 1998.

109. RFC 2475, "An Architecture for Differentiated Services", S.Blake и др., 1998.

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

111. RFC 3015, "Megaco Protocol", F.Cuervo, N.Greene, C.Huitema, A.Rayhan, B.Rosen, J.Segeret, 2000.

112. RFC 3031, "Multiprotocol Label Switching Architecture", E. Rosen и др., 2001.

113. D. Sanghi, A.K. Arawala, O. Gudmundsson, B.N. Jain, "Experimental Assessment of End-to-End Behavior on Internet," IEEE lnfocom'93, pp. 867-874, March 1993.

114. H.Sanneck, G.Carle, R.Koodli, "A framework model for packet loss metrics based on loss runlengths", In SPIE/ACM SIGMM Multimedia Computing and Networking Conference, January 2000.

115. H. Schulzrinne, J. Rosenberg, "A Comparison of SIP and H.323 for Internet Telephony", proceedings of the 1998 Workshop on Network and Operating System Support for Digital Audio and Video (NOSSDAV '98), July 1998, Cambridge, England.

116. K.Sriram, W.Whitt, "Characterizing superposition arrival process in packet multiplexers for voice and data", IEEE Journal on SAC, 1986.

117. Jinsheng Sun, King-Tim Ко, Guanrong Chen, Sammy Chan, Moshe Zukerman, "PD-RED: To Improve The Performance of RED", IEEE Communications Letters, vol. 7, no. 8, August 2003.

118. D.Towsley, S.Fosse-Parisis, J.Bolot, "Adaptive FEC-Based Error Control for Interactive Audio in the Internet," IEEE Infocom, March 1999.

119. D.Verma, "Supporting Service Level Agreements on IP Networks", Macmillan Technical Publishing, 1999.

120. W.Willinger, M.Taqqu, R.Sherman, D.Wilson, "Self-similarity Through High-variability: Statistical Analysis of Ethernet LAN Traffic at the Source Level", IEEE/ACM Transactions on Networking, 5(1):71-86, 1997.