автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование моделей распределения сетевых ресурсов в сетях связи следующего поколения

На правах рукописи

КУТБИТДИНОВ СИНО ШАХАБИТДИНОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЕТЕВЫХ РЕСУРСОВ В СЕТЯХ СВЯЗИ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ОКТ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005534317

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Кучерявый Андрей Евгеньевич Официальные оппоненты: ^ Мстислав Аркадьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГОБУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича", профессор кафедры "Радиопередающие устройства и средства подвижной связи"

Юркин Юрий Викторович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО "Петербургский государственный университет путей сообщения, доцент кафедры "Электрическая связь"

Ведущая организация Федеральное Государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт связи", г. Москва.

Защита состоится 23 октября 2013 года в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича», 193232, Санкт-Петербург, пр. Большевиков, д. 22, ауд. 554.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного образовательного бюджетного учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича», Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 65.

Автореферат разослан 20 сентября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эволюционное развитие сетей связи прошло несколько стадий, основанных на технологиях сетей с коммутацией каналов. В настоящее время общепризнанной основой дальнейшего развития сетей связи является концепция сетей связи следующего поколения NGN (Next Generation Network), которая предполагает переход к сетям с коммутацией пакетов. Концепция NGN может реализовываться на базе различных технологических решений, последние из которых базируются на оборудовании Softswitch (программный коммутатор) и IMS (IP Multimedia Subsystem) - мультимедийная подсистема на основе протокола IP. Независимо от формы реализации концепции NGN переход к сетям с коммутацией пакетов требует решения большого количества сложных задач, среди которых есть и традиционные для сетей связи задачи. В контексте диссертационной работы речь идет о распределении сетевых ресурсов.

Распределение сетевых ресурсов в сетях связи следующего поколения должно осуществляться на основе норм на качество обслуживания. Концепция NGN предполагает создание сети с гарантированным уровнем качества обслуживания. Последнее достигается применением механизма DiffServ (Differiented Service - дифференцированное обслуживание) в совокупности с установлением определенных взаимных отношений как между операторами, так и между оператором и абонентом. В настоящее время эти отношения базируются на соглашениях об уровне обслуживания SLA (Service Level Agreement).

Такой подход требует решения новых задач по распределению сетевых ресурсов. Под сетевыми ресурсами здесь и далее будем понимать в первую очередь вычислительные ресурсы систем распределения информации, например, совокупности серверов, образующих платформу IMS, и пропускную способность сети, включая также и ее отдельные сегменты (например, сеть доступа). С учетом изложенного, выбранная тема диссертации представляется актуальной.

Проблемы распределения сетевых ресурсов решались в работах известных ученых: БашаринаГ.П., Лазарева В.Г., Игнатьева В.О., Исаева Р.И., Гольдштейна B.C., Кучерявого А.Е., Назарова А.Н., Рослякова A.B., Соколова H.A., Хетагурова Я.А., Чугреева О.С., ШнепсаМ.А., Яковлева С.А., Яновского Г.Г., а также Д. Бертсекаса, Р. Галлагера, JI. Клейнрока и др. В настоящей диссертации разрабатываются и исследуются новые модели и

методы распределения сетевых ресурсов для сетей связи следующего поколения, в том числе для подсистемы мультимедийных сообщений IMS с учетом нормативов по качеству и соглашений об уровне обслуживания SLA.

Целью исследования является разработка, исследование и оптимизация параметров моделей распределения сетевых ресурсов в сетях связи следующего поколения.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации последовательно решаются следующие задачи:

- анализ концепции NGN, сценариев по использованию протокола SIP (Session Initiation Protocol) для обслуживания вызовов, а также проблем обеспечения качества NGN в плане рекомендаций Международного Союза Электросвязи (ITU-T);

- разработка QoS-модели процесса предоставления речевой услуги для подсистемы мультимедийных сообщений IMS, а также оптимизация параметров модели;

- проведение статистического моделирования на предмет доказательства адекватности применения распределения Эрланга для аналитического описания длительности ожидания;

- разработка модели оптимального (административного) управления сетевыми ресурсами с учетом требований SLA, построение функции полезности с учетом потоков трафика и расчет оптимального плана распределения сетевых ресурсов;

- оценка влияния домашних сетей на ресурсоемкость NGN.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использованы методы теории вероятностей, теории массового обслуживания и теории оптимизации.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими факторами:

- разработкой аналитической модели процесса предоставления услуги речевой связи в IMS, отличающейся от известных моделей учетом этапа установления соединения в модуле BGCF (Breakout Gateway Control Function), обеспечивающем взаимодействие с существующими сетями связи;

- применением функций полезности, позволяющих оценивать последствия выбора того или иного вида функции штрафа за несоблюдение условий SLA;

- предложением новой нелинейной функции полезности;

- построением моделей оптимизации сетевых ресурсов многопользовательской IMS, базирующихся на QoS-моделях, стоимостных аппроксимациях, кусочно-линейной и нелинейной функциях полезности, а также сравнением функций полезности между собой;

- построением модели расчета пропускной способности на участке «сеть доступа - ядро сети» с учетом влияния домашних сетей и замыкания потоков трафика.

Практическая ценность и реализация результатов диссертационной работы. Применение предложенных моделей на практике позволяет обоснованно планировать необходимые объемы сетевых ресурсов модернизируемых и вновь создаваемых сетей, служб и сервисов, выбирать класс QoS при заключении SLA, вырабатывать меры по предотвращению длительных задержек доступа к серверам IMS в пиковые периоды нагрузки.

Результаты диссертационной работы внедрены в производственную деятельность Национального оператора АК «Узбектелеком», в НИР «Исследование устойчивости функционирования средств и сетей телекоммуникаций» (номер Гос. регистрации № 17-015), выполненной в Государственном унитарном предпритии Центр научно-технических и маркетинговых исследований - «UNICON.UZ» Государственного комитета связи, информатизации и информационных технологий Республики Узбекистан, а также использованы в учебном процессе на кафедре «Сети связи» Санкт-Петербургского университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, что подчеркивает их практическую значимость.

Соответствующие Акты о внедрении приводятся в Приложениях к диссертации.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы обсуждались на второй международной конференции в Центральной Азии по интернет-технологиям ICI2006 (Ташкент, 2006), десятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010), Всероссийской конференции с международным участием «Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем» (Москва, 2011), одиннадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011), а также на семинарах СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

По теме диссертационной работы опубликовано И печатных работ, из них 2 работы опубликованы в перечне изданий, рекомендуемых ВАК.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- модель процесса предоставления услуги речевой связи в IMS, учитывающая вероятностно-временные характеристики этапа установления соединения в BGCF и функции полезности технико-экономического характера (ресурсы-ОоЗ-доходы-расходы);

- результаты исследования и сравнительного анализа классической кусочно-линейной и предложенной автором нелинейной функций полезности для целей исследования NGN;

- модели оптимального распределения сетевых ресурсов NGN для классической кусочно-линейной и нелинейной функций полезности с учетом QoS-ограничений и приоритетной структуры многопользовательского трафика;

- метод расчета пропускной способности сети доступа при объединении потоков трафика на участке «сеть доступа - ядро сети» с учетом влияния домашних сетей.

Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и прикладных исследований получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит постановка, решение задачи и обобщение полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 110 страниц машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 76 наименований и четырёх приложений, а также включает в себя 32 рисунка и 8 таблиц.

Объектом исследования являются сети связи следующего поколения в целом, а также их интеллектуальное ядро - подсистема мультимедийных сообщений IMS. Объект рассматривается во взаимосвязи технико-экономических показателей соглашения об уровне обслуживания, включающих вероятностно-временные характеристики (качество обслуживания) и производительность серверов.

Предметом исследования являются модели и методы расчета плана распределения ресурсов в NGN с учетом нормативов по качеству обслуживания и соглашений об уровне обслуживания SLA.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведен анализ современного состояния и направлений эволюционного развития сетей связи и особенностей решения проблем обеспечения требуемого уровня QoS в NGN с учетом соответствующих рекомендаций ITU-T. Показано, что конвергенция и гармонизация сетей и услуг на сегодняшний день наиболее полно достигаются в технологии IMS -стандартизованной системе на базе протокола SIP (Session Initiation Protocol), позволяющей работать как в сетях GSM/GPRS/UMTS, CDMA2000, Wi-Fi и WiMAX, так и сетях с фиксированным доступом. Проведен анализ функциональной архитектуры NGN при ее реализации на основе технологии IMS.

Проблемы распределения сетевых ресурсов в NGN непосредственно связаны с вопросами обеспечения требуемого уровня QoS, предотвращения и устранения перегрузок. Под управлением сетевыми ресурсами понимается функционирование совокупности механизмов, обеспечивающих доступ к имеющимся ресурсам и согласование сетевых параметров с характеристиками пользовательского трафика с учетом заданных QoS-норм. Объемы планируемых сетевых ресурсов сетей с коммутацией пакетов зависят от требований пользователей и качества предоставления услуг, характеризуемого доступностью, точностью, скоростью, устойчивостью, надежностью, гибкостью, безопасностью и т. д.

QoS-проблематика анализируется на предмет гармонизации ресурсной задачи по входу-выходу, так как избыток сетевых ресурсов сетей с коммутацией пакетов приводит к замораживанию инвестиций, а их дефицит - к невыполнению требований по качеству обслуживания. Естественно, недостаток производительности сетевого оборудования, выполняющего функции управления, влечет за собой увеличение времени обработки пакетов и общего времени, требуемого для установления соединения (сессии).

Требования по качеству обслуживания приведены в рекомендации ITU-T Y.1541, где определены и основные параметры QoS:

- IPTD (IP Packet Time Delay) - средняя задержка доставки пакетов;

- IPDV (IP Packet Delay Variation) - вариация задержки пакетов (джиттер);

- IPLR (IP Packet Lost Rate) - вероятность потери пакета;

- IPER (IP Packet Error Rate) - вероятность искажения пакета.

Важнейшими параметрами, характеризующими доступность и скорость,

являются параметры процесса установления соединения (вероятность отказа/потери и время установления), которые применительно к NGN привязываются к процессам предоставления услуги, а по функциональному назначению аналогичны процессам, протекающим в управляющих устройствах узлов коммутации традиционных сетей.

Далее в главе отмечается возросшая сложность задач распределения сетевых ресурсов в NGN с учетом необходимости обеспечения требуемого уровня QoS и формулируются те из них, которые решаются в диссертации. При этом подчеркивается, что задачи распределения сетевых ресурсов в NGN должны учитывать и взаимодействие с сетевым оборудованием существующих сетей, на что обращено специальное внимание во второй главе.

Во второй главе построена модель процесса предоставления услуги речевой связи в IMS, отличающаяся от известных аналогов учетом функции BGCF управления шлюзами, учетом многофакторной функции полезности и предназначенная для целей оптимизации в составе метода оценки сетевых ресурсов NGN.

Модель содержит рассмотренные в первой главе основные функциональные элементы IMS, взаимодействующие через уровень транспортной сети и распределения трафика (рис. 1), и строится в соответствии со спецификацией протокола SIP, описанной в документе IETF RFC 3261.

Рис. 1. Структура процесса управления предоставлением услуги речевой связи

В общем случае целевая функция представляется функцией полезности аддитивного вида

U(X) = I(X)-sG{X)-P(.X), (1)

включающей функции: дохода 1{Х), единовременных затра G(X) и потерь дохода Р(Х), связанных с потерянной нагрузкой. Для произвольного к-го пользовательского приложения (к = 1,К, К - число пользовательских приложений) X = {s,\iXimax,a,b,h,gi-)} состоит из следующих переменных и входных констант: s - число серверов, участвующих в установлении соединения; |i - производительность отдельного сервера; X - интенсивность входящего потока; („„ - заданная норма по времени доставки пакета; И -удельный доход от одного пользователя; а и b - параметры квадратичной аппроксимации функции стоимости сервера; g(.) - функция штрафа, определяемая штрафными санкциями за нарушение условий SLA, в частности, невыполнение QoS-норм.

Составляющие (1) применительно к структуре IMS (рис. 1) представляются:

- доход (выручка от реализации) - линейной функцией от интенсивности трафика и тарифов 1(Х) = X h;

- расходы оператора, связанные с эксплуатацией серверов, участвующих в установлении соединен™ -квадратичной функцией стоимости G(n) = a-n-6-n2 в зависимости от производительности сервера. В общем случае вид функции G(n) зависит от конкретной реализации серверного оборудования, выбора производителя и многих других факторов. Константа а определяет условную стоимость единицы производительности сервера, константа Ъ -снижение стоимости сервера из расчета на единицу его производительности при увеличении производительности серверного оборудования. Эти константы могут быть вычислены путем технико-экономического анализа производительности и стоимости нескольких вариантов серверного оборудования;

- потери (дохода) P((i) = /.[5g((i), учитывающие потерянную нагрузку лр и условный «штраф», в зависимости от задачи представляемый либо функцией g(P), либо константой g (за один потерянный вызов). Оператор также несет косвенные убытки от снижения качества обслуживания из-за чрезмерных задержек.

Функционирование серверов, реализующих указанные выше функции, считается независимым, а учитывая природу потока вызовов от пользователей при реализации услуги речевой связи, принимаются допущения о том, что данный поток вызовов является простейшим, а длительность обслуживания таких вызовов имеет экспоненциальное распределение.

В сетях с коммутацией пакетов основными характеристиками С^оБ пользователей услуг являются задержка доставки и вероятность потери пакета.

Вероятность р того, что время доставки пакета превысит нормативное время ¡тах, определяется либо из показательного распределения, либо из распределения Эрланга. В первом случае структура (рис. 1) рассматривается как последовательное соединение серверов Р-СБСР, 1-СБСР, Б-СБСР, ВвСР и моделируется многофазной экспоненциальной СМО типа М/М/1А», п вероятность потерь рассчитывается стандартно, по Клейнроку. Если случайная величина предполагается более регулярной, чем показательное распределение, то используется эрланговское распределение, для которого, как известно, плотность вероятности

т = (1!1У1е-1г, (2)

" 7(5-1)!

а соответствующая вероятность того, что продолжительность обслуживания пакета превзойдет величину 1Г,„,

¿(W/О'/(<'!)

(3)

Предполагается, что средние времена обслуживания пакета каждым сервером одинаковы Т,=Т, i = а / вычисляется в соответствии со СМО типа M/M/1/co.

С учетом ранее раскрытых компонентов функции (1) типовая для практики задача оптимизации сетевых ресурсов IMS принимает вид:

найти производительность сервера ц*, доставляющую максимум функции полезности

С/(ц) = АА.-яц(в-6ц)-г(.)Я,ехр(-/1ти//)

/О'/О'О

(4)

при выполнении ограничений по сквозной задержке < пакета и вероятности потери (3<Р, (здесь: сг, Рг-заданные нормативы «ЗоБ).

Структура функции полезности С/(ц) существенным образом зависит от вида функции штрафа g(.). Рисунок 2 иллюстрирует три случая: а) удельная величина штрафа (из расчета на один вызов) постоянна; б) удельная величина штрафа зависит от числа потерянных вызовов и представляет собой

ступенчатую функцию; в) величина штрафа задана ступенчатой функцией от числа потерянных вызовов.

f и v

а) б) в)

Рис. 2. Структура функции полезности в зависимости от вида функции штрафа

Для нахождения максимального значения U(\i) был использован численный метод «золотого сечения», запускаемый из различных стартовых точек. Предложенная модель была проверена с помощью имитационного моделирования.

Разработанная модель дает возможность обоснованно выбирать не только производительность серверов, но и решать смежные задачи, например, выбора оптимального числа серверов t/(i) -» max.

В третьей главе разработана аналитическая модель управления распределением сетевых ресурсов NGN для обслуживания пользователей с учетом установленных в SLA требований по QoS. В этой главе проведен системный анализ особенностей обеспечения требуемого уровня QoS в сетях с коммутацией пакетов на основе механизма DiffServ, рекомендованного для использования в NGN в рекомендации ITU-T Y.1291. Рассмотрена архитектура управления ресурсами в соответствии с новой концепцией ITU-T, основанной на введении в функциональную архитектуру NGN функций управления ресурсами и доступом в сеть RACF (Resource and Admission Control Function), a также функций управления присоединением сетей NACF (Network Attacment Control Function).

Рассматривается следующая задача распределения (ограниченного) сетевого ресурса R.

Предполагается, что из имеющегося набора К пользовательских приложений различные пользователи IMS могут выбирать (формировать) собственные пакеты услуг. При этом каждом)' варианту распределения услуг соответствует тот или иной способ распределения сетевого ресурса R .

Требуется найти такой 9 -й способ (вариант) распределения сетевых ресурсов, при котором достигается максимум многофакторной функции полезности

max { Ф,(г,),...,Фе(/-в),...,Фв(ге)}, (5)

Фо = Ф|(г|) + - + Ф*('4) + "- + <М''л:)> (6)

где ф,(г,) - однофакторная функция полезности, определяющая доход от к-го пользовательского приложения. Предполагается, что: все компоненты полезности измеряются в одинаковых единицах; общий доход равен сумме доходов от всех пользовательских приложений; общий объем сетевых ресурсов фиксирован rl+...+r,+...+/-t. = «; выделяемое количество сетевых ресурсов неотрицательно r,>o,...,rt>o,...,rk.>o; отдельные сетевые ресурсы гк, к=й~к взаимозаменяемы.

Различаются: объем сетевого ресурса , необходимый для обслуживания одного пользователя ¿-го приложения с QoS-показателями, оговоренными SLA, и подлежащий определению сетевой ресурс гк, который может быть предоставлен оператором пк пользователям ¿-го приложения.

Уравнение баланса сетевых ресурсов имеет вид

(7)

Полагается, что за нарушение установленных в SLA норм по QoS взыскивается штраф в размере gt. Если суммарная потребность в пропускной способности Ra<R, то вероятность удовлетворения потребности в сетевых ресурсах пользователей ¿-го приложения vt = 1, все пользователи обслуживаются с надлежащим уровнем качества и штрафные санкции равны нулю. При условии R" > R (vt < 1) возникает дефицит сетевых ресурсов в объеме

AR=jrni40)-R и часть пользователей обслуживается с качеством ниже уровня, к* 1

оговоренного SLA.

Как правило, в качестве функции полезности выбирается кусочно-линейная функция

0 г < 0

Лп) =

0<гк<пкгГ. (8)

ПкК П>>ЧГ?

Для нахождения вектора /• = {/•„...,rt,...,rK} оптимального распределения сетевых ресурсов используется метод динамического программирования. Соответствующие численные примеры для типовых характеристик NGN приводятся в диссертации.

В NGN наблюдается нелинейная зависимость доходов от трафика, особенно в условиях приоритетного обслуживания. Исходя из этого в

диссертации предложена новая нелинейная функция полезности

= (9)

определяемая доходами за объем переданного трафика Хк за вычетом штрафных санкций за несоблюдение условий SLA в части задержки wk. В формуле (9) также приведены: Xf} - интенсивность подлежащего передаче трафика к -го приоритета; hk - средняя выручка от одного пользователя; gk -«штраф», связанный с недопустимыми задержками пакета к -го приоритета; 0?« — средняя задержка пакета к -го приоритета при достаточном объеме ресурсов; Wk - текущее значение задержки пакета.

Среднее время ожидания в буфере пакета к -го приоритета определяется в соответствии с приоритетной моделью СМО типа M/G/1/oo с бесконечным буфером и относительным приоритетом

wk = x'M(tl) , (10)

к

где = - суммарный поток, поступающий в СМО; M{t]) - второй момент

распределения времени обслуживания; \ - интенсивность трафика i-го _ к ^

приоритета, i = \,K; ст4 =Х4> 4=~ - (частичная сумма) загрузка исследуемой

/=1 ц(

СМО; щ — интенсивность обслуживания трафика / -го приоритета.

Подобный выбор объясняется тем, что из имеющегося арсенала простейших моделей СМО приоритетная модель типа M/G/1/co наиболее подходит для моделирования механизма DiffServ поддержки качества обслуживания.

В частном случае, когда время обслуживания имеет экспоненциальное распределение [л/ (/52) = 2 72], а интенсивности обслуживания равны р., = =... = Цд =... = = ц, формула (10) упрощается и приводится к виду

W„

J*

к = \, К

(11)

к j-1 Л .и

Для нахождения вектора r = { оптимального распределения

сетевых ресурсов в NGN использовался метод динамического программирования. В диссертации приводятся соответствующие примеры, один из которых проиллюстрирован на рисунке 3.

35 • --------- - . — — .

30 25 - —...... ..........................

а £, 15 ■ 111111 1 - ---- -

g PC

isis? "ШМш. 10

1 2 3 4 5

Приложение (приоритет)

Рис. 3. Пример оптимального плана распределения сетевых ресурсов Предложенная нелинейная функция полезности (9) дает возможность распределять сетевые ресурсы между различными пользователями и различными пользовательскими приложениями с учетом назначенных приоритетов.

В четвертой главе рассмотрены варианты организации сетей доступа и их роль в развитии концепции NGN. Разработаны модель сети доступа с учетом наличия домашних сетей, метод расчета ее пропускной способности, а также представлен численный пример.

Концепция NGN предполагает создание сетей с гарантированным уровнем качества обслуживания, которое напрямую зависит от объема предоставляемых сетевых ресурсов, эффективности их распределения между различными пользовательскими приложениями и QoS-норм.

Суммарный канальный ресурс складывается из детерминированной и стохастической компонент

В = B0+v0 L. (12)

Компонента B0 = aL (а - объединенный абонентский трафик от всех

N

пользователей, а = [пакет/с]; L - средний объем пакета [бит]), оценивается

на детерминированной модели обслуживания пакетов в идеальных условиях (постоянная скорость поступления пакетов, постоянная интенсивность обслуживания, стохастика отсутствует полностью) и является нижней оценкой потребности в сетевом ресурсе. Компонента v0 - это минимальный запас дополнительной пропускной способности, необходимый для выполнения QoS-норм.

В соответствии с SLA оператор связи гарантирует, что выделенная скорость в передачи данных на всех участках сети доступа «оборудование пользователя (ТЕ) - концентратор (Н) - ядро (Я) сети» обеспечит доставку трафика а с заданной нормой /г.

На основании формулы Хинчина-Поллячека в диссертации предлагаются несколько ресурсных оценок:

1) пропускная способность В участка сети (рис. 4) «концентратор Н -ядро Я сети» [бит/с]:

Li

(13)

где

для СМО M/D/1/oo

для СМО M/M/1/oo v0 - дополнительная

Вмтп = 2 (vo +a+Vv+a2),

BwMn = Livo+a), (14)

пропускная способность, необходимая для

выполнения заданной нормы tz по задержке и тождественно равная v0 = —;

Рис. 4. Модель учасгка сета доступа с использованием концентратора Н

2) пропускная способность В [бит/с] произвольного участка сети доступа (рис. 5), необходимая для обслуживания потока X [пакет/с] (в соответствии с СМО МЮ/1/со с учетом замыкания трафика 1Р-домашней сетью) и с заданной нормой I, на среднюю задержку

, +л/1 + 2 Х(,сг + %гС

и — I _I_2_£_

А/ ЮН ** )

2t,

(15)

где с - коэффициент вариации времени обслуживания; X - интенсивность входящего потока, связанного с объединенным абонентским трафиком а и

коэффициентом замыкания у соотношением х = (1 - + 6 ; Ь — абонентский

i=i

трафик не IP-терминала.

Рис. 5. Модель сети доступа с учетом ГР-домашней сети Сравнение различных дисциплин обслуживания очередей по показателю ресурсоемкости показывает, что модель МЛЭ/1/оо с регулярным обслуживанием является наиболее экономичной (рис. 6).

8, Мбит/с 1&На

120+а 100+а В О* а

60+а 40+а 2СИ-а-а

•

• »

1 • 1 в 1 »

1 * |\*.

Ц Л *•

А ч. V

-с= 0(D) -с = 1 (М)

(G)

tг. С

0,05

ОД

0,2 0,25

Рис. 6. Зависимость пропускной способности В кайма сети доступа от нормы t. на задержку для регулярного (D), экспоненциального (М) и произвольного (G) обслуживания ( с - коэффициент вариации, а - гарантированный минимум скорости)

Как видно из рисунка 6, потребность в сетевых ресурсах будет минимальна для эластичного трафика (например, приложений E-mail, характеризующихся большими значениями нормы Напротив - при жестких

QcS-нормах (например, для услуг real time) существенное влияние на ресурсоемкость сети доступа будет оказывать норма 1г.

Предложенные модели дают возможность достаточно быстро оценивать предпочтительность тех или иных вариантов развития NGN в условиях неопределенности и низкой точности данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Разработана модель процесса предоставления услуги речевой связи в IMS, ориентированная на протокол SIP (RFC 3261) и отличающаяся от известных учетом модуля по взаимодействию с существующими сетями связи -BGCF (Breakout Gateway Control Function).

2. Проведено численное исследование функции полезности, позволившее установить присутствие выраженного максимума и обусловившее целесообразность перехода в условиях NGN от традиционных кусочно-линейных функций полезности к нелинейным аппроксимациям.

3. Введена нелинейная функция полезности, агрегирующая технико-экономические показатели NGN: ресурсные, потоковые, качества обслуживания, доходов и расходов.

4. На базе функций полезности построена модель оптимального распределения сетевых ресурсов в IMS с несколькими пользовательскими приложениями, ограничениями по качеству обслуживания и возможностью использования как классической кусочно-линейной функции полезности, так и предложенной в диссертации нелинейной.

5. На базе формулы Хинчина-Поллячека разработана ресурсная модель сетевого элемента, позволяющая по известным объемам трафика и норме на задержку пакета рассчитывать пропускную способность сети доступа с учетом влияния домашних сетей.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Исаев, Р. И. Об одной модели сети доступа с учетом наличия домашних сетей / Р. И. Исаев, С. Ш. Кутбитдинов // Инфокоммуникации: Сети-Технологии-Решения. -2011. — № 3. - С. 12-16.

2. Кутбитдинов, С. Ш. Модель оптимального управления ресурсами сети NGN с учетом требований SLA / С. Ш. Кутбитдинов // Электросвязь. — 2011. — № 5. - С. 14-17 (из перечня ВАК).

3. Кутбитдинов, С. Ш. Об одном методе расчета пропускной способности сети доступа в NGN / С. Ш. Кутбитдинов // Сб. ст. XI международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», т. 3, 27-29 апреля, 2011 г., Санкт-Петербург. - С. 84-85.

4. Кутбитдинов, С. Ш. Аналитическая модель оптимального управления распределением ресурсов в архитектуре IMS / С. Ш. Кутбитдинов // Тезисы докладов Всероссийской конференции с международным участием «Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем» 18-22 апреля, 2011 г., Москва. -С. 91-94.

5. Кутбитдинов, С. Ш. Концептуальная модель процесса установления соединения в подсистеме IMS / С. Ш.Кутбитдинов // Инфокоммуникации: Сети-Технологии-Решения.-2011,-№ 1.-С. 5-13.

6. Кутбитдинов, С. Ш. Задачи распределения ресурсов в пакетных сетях связи общего пользования / С. Ш. Кутбитдинов // Сб. тр. X международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», т. 1, 9-11 декабря, 2010 г., Санкт-Петербург. - С. 146-147.

7. Кутбитдинов, С. Ш. Анализ направлений эволюционного развития сетей связи общего пользования / С. Ш. Кутбитдинов // Инфокоммуникации: Сети-Технологии-Решения. - 2010. -№ 3. - С. 5-9.

8. Кутбитдинов, С. Ш. Об одной задаче распределения ресурсов в сетях NGN с учетом требований SLA / С. Ш. Кутбитдинов // Инфокоммуникации: Сети-Технологии-Решения. - 2010. - № 1. - С. 5-9.

9. Кутбитдинов, С. Ш. Модель процесса предоставления услуги речевой связи в IMS и оптимизация его параметров / С. Ш. Кутбитдинов // Инфокоммуникационные технологии. - 2009. - № 3. - С. 38^14 (из перечня ВАК).

10. Kutbitdinov, S. Sh. Analytical model of digital switching system / S. Sh. Kutbitdinov // 2nd International Conference in Central Asia on Internet (ICI 2006), Tashkent, 2006, 19-21 September.

11. Кутбитдинов, С. III. Модели обработки информации в управляющих устройствах узлов коммутации / С. III. Кутбитдинов // Вестник университетского комплекса: сб. науч. тр. под общей ред. проф. Н. В. Василенко. - Вып. 5(19).- Красноярск: ВСФ РГУИТП, НИИ СУВПТ, 2005.-С. 50-55.

Подписано в печать 19.09.2013. Формат 60x84 1/16.

Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз._

Отпечатано в СПбГУТ, 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61

ю см

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М.А.Бонч-Бруевича»

На правах рукописи

Кутбитдинов Сино Шахабитдинович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЕТЕВЫХ РЕСУРСОВ В СЕТЯХ СВЯЗИ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ

Специальность: 05.12.13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

со Научный руководитель

Доктор технических на) Кучерявый Андрей Евгеньевич

О Доктор технических наук, профессор,

Санкт-Петербург - 2013

Оглавление

Введение............................................................................................................................................................3

Глава 1. Анализ тенденций развития сети связи общего пользования... 9

1.1 Конвергенция и гармонизация в сетях связи......................................................9

1.2 Функциональная архитектура NGN............................................................................10

1.3 Качество обслуживания в NGN......................................................................................13

1.4 Задачи, решаемые в диссертации..................................................................................22

1.5 Выводы по главе 1........................................................................................................................23

Глава 2. Модель управления предоставлением услуг в NGN..............................25

2.1 Архитектура и управление предоставлением услуг в IMS NGN... 25

2.2 Модель процесса предоставления услуги речевой связи........................29

2.3 Оптимизация параметров модели с учетом качества ^ предоставления услуги речевой связи.....................................

2.4 Типовой пример оптимизации и соответствие результатам ^ имитационного моделирования...............................................

2.5 Выводы по главе 2......................................................................................................................45

Глава 3. Модель управления распределением ресурсов с учетом ^

требований SLA.....................................................................

3.1 Особенности решения проблем качества обслуживания в NGN... 47

3.2 Качество предоставления услуг и объем ресурсов......................................48

3.3 Архитектура управления ресурсами..........................................................................56

3.4 Модель оптимального управления ресурсами с учетом ^ требований SLA..................................................................

3.5 Выводы по главе 3......................................................................................................................71

Глава 4. Разработка методов расчета пропускной способности для ^

сетей доступа.........................................................................

4.1. Сети доступа и их роль в развитии концепции NGN................................73

4.2. Метод расчета пропускной способности..............................................................77

4.3. Численный пример....................................................................................................................81

4.4. Модели для сети доступа с учетом наличия домашних сетей............84

4.5. Методы расчета для сетей доступа с учетом наличия домашних сетей..................................................................................

4.6 Выводы по главе 4....................................................................................................................90

Заключение......................................................................................................................................................92

Список литературы....................................................................................................................................93

Приложение 1. Текст программы................................................................................................100

Приложение 2. Акт о внедрении АК "Узбектелеком"............................................107

Приложение 3. Акт о внедрении ГУП "UNICON.UZ"............................................108

Приложение 4. Акт о внедрении СПбГУТ........................................................................110

Введение

Эволюционное развитие сетей связи прошло несколько стадий, основанных на технологиях сетей с коммутацией каналов. В настоящее время общепризнанной основой дальнейшего развития сетей связи является концепция сетей связи следующего поколения NGN (Next Generation Network) [9,17,45], которая предполагает переход к сетям с коммутацией пакетов. Концепция NGN может реализовываться на базе различных технологических решений, последние из которых базируются на оборудовании Softswitch (программный коммутатор) [7,8,14,15,16,34,57] и IMS (IP Multimedia Subsystem) [34,57] - мультимедийная подсистема на основе протокола IP. Независимо от формы реализации концепции NGN переход к сетям с коммутацией пакетов [16] требует решения большого количества сложных задач, среди которых есть и традиционные для сетей связи задачи. В контексте диссертационной работы речь идет о распределении сетевых ресурсов. Распределение сетевых ресурсов в сетях связи следующего поколения должно осуществляться на основе норм на качество обслуживания [59]. Концепция NGN предполагает создание сети с гарантированным уровнем качества обслуживания. Последнее достигается применением механизма DiffServ (Differiented Service - дифференцированное обслуживание) [18] в совокупности с установлением определенных взаимных отношений как между операторами, так и между оператором и абонентом. В настоящее время эти отношения базируются на соглашениях об уровне обслуживания SLA (Service Level Agreement) [30,31,39].

Такой подход требует решения новых задач по распределению сетевых ресурсов. Под сетевыми ресурсами здесь и далее будем понимать в первую очередь вычислительные ресурсы систем распределения информации, например, совокупности серверов, образующих платформу IMS, и пропускную способность сети, включая также и ее отдельные сегменты (например, сеть доступа). С учетом изложенного, выбранная тема диссертации представляется актуальной.

Целью диссертации является разработка, исследование и оптимизация параметров моделей распределения сетевых ресурсов в сетях связи следующего поколения.

Для достижения поставленной цели в диссертации последовательно решаются следующие задачи:

- анализ концепции NGN, сценариев по использованию протокола SIP (Session Initiation Protocol) для обслуживания вызовов, а также проблем обеспечения качества NGN в плане рекомендаций Международного Союза Электросвязи (ITU-T);

- разработка QoS-модели процесса предоставления речевой услуги для подсистемы мультимедийных сообщений IMS, а также оптимизация параметров модели;

- проведение статистического моделирования на предмет доказательства корректности применения распределения Эрланга для аналитического описания длительности ожидания;

- разработка модели оптимального (административного) управления сетевыми ресурсами с учетом требований SLA, построение функции полезности с учетом потоков трафика и расчет оптимального плана распределения сетевых ресурсов;

- оценка влияния домашних сетей на ресурсоемкость NGN.

При решении поставленных в диссертации задач использованы методы теории вероятностей, теории телетрафика и теории оптимизации.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими факторами:

разработкой аналитической модели процесса предоставления услуги речевой связи в IMS, отличающейся от известных моделей учетом этапа установления соединения в модуле BGCF (Breakout Gateway Control Function), обеспечивающем взаимодействие с существующими сетями связи;

- применением функций полезности, позволяющих оценивать последствия выбора того или иного вида функции штрафа за несоблюдение условий SLA;

предложением новой нелинейной функции полезности; построением моделей оптимизации сетевых ресурсов многопользовательской IMS, базирующихся на QoS-моделях, стоимостных аппроксимациях, кусочно-линейной и нелинейной функциях полезности, а также сравнением функций полезности между собой;

построением модели расчета пропускной способности на участке «сеть доступа - ядро сети» с учетом влияния домашних сетей и замыкания потоков трафика.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

модель процесса предоставления услуги речевой связи в IMS, учитывающая вероятностно-временные характеристики этапа установления соединения в BGCF и функции полезности технико-экономического характера (pecypcbi-QoS-доходы-расходы);

- результаты исследования и сравнительного анализа классической кусочно-линейной и предложенной автором нелинейной функций полезности для целей исследования NGN;

модели оптимального распределения сетевых ресурсов NGN для классической кусочно-линейной и нелинейной функций полезности с учетом QoS-ограничений и приоритетной структуры многопользовательского трафика;

- метод расчета пропускной способности сети доступа при объединении потоков трафика на участке «сеть доступа - ядро сети» с учетом влияния домашних сетей.

Применение предложенных моделей на практике позволяет обоснованно планировать необходимые объемы сетевых ресурсов модернизируемых и вновь создаваемых сетей, служб и сервисов, выбирать класс QoS при заключении SLA, вырабатывать меры по предотвращению длительных задержек доступа к серверам IMS в пиковые периоды нагрузки.

Результаты диссертационной работы внедрены в производственную деятельность Национального оператора АК «Узбектелеком», в НИР «Исследование устойчивости функционирования средств и сетей

телекоммуникаций» (номер Гос. регистрации № 17-015), выполненной в Государственном унитарном предприятии «Центр научно-технических и маркетинговых исследований - «UNICON.UZ» Государственного комитета связи, информатизации и информационных технологий Республики Узбекистан, а также использованы при чтении лекций по дисциплинам «Мультисервисные сети», Рабочая Программа утверждена Первым проректором - проректором по учебной работе Г.М. Машковым 10 апреля 2012 г. (раздел Рабочей Программы «Сети связи нового поколения (NGN)») и «Методы и алгоритмы оптимизации сетей связи», Рабочая Программа утверждена Первым проректором - проректором по учебной работе Г.М. Машковым 12 апреля 2012 г. (раздел Рабочей Программы «Общие методы и методы оптимизации») в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, что подчеркивает их практическую значимость.

Соответствующие Акты о внедрении приводятся в Приложениях №2, №3 и № 4 к диссертации.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на второй международной конференции в Центральной Азии по интернет-технологиям ICI2006 (19-21 сентября, 2006 г., Ташкент), десятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (09-11 декабря, 2010 г., Санкт-Петербург), Всероссийской конференции с международным участием «Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем» (18-22 апреля, 2011 г., Москва), одиннадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (27-29 апреля, 2011 г., Санкт-Петербург), а также на семинарах СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Основные результаты диссертационной работы нашли отражение в 11 публикациях, из которых 2 работы опубликованы в перечне изданий, рекомендуемых ВАК РФ.

Диссертационная работа содержит 110 страниц машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 76 наименований и четырёх приложений, а также включает в себя 32 рисунка и 8 таблиц.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи исследования.

Первая глава - аналитическая. На основе принципов теории конвергенции и гармонизации, международных стандартов, в том числе рекомендаций ITU-T в части построения функциональной архитектуры NGN на базе технологии Softswitch, обосновывается возросшая сложность задач распределения ресурсов в сетях с коммутацией пакетов и выделяются задачи, стоящие перед данной диссертационной работой.

Во второй главе на основе анализа функциональной архитектуры IMS при использовании технологии SIP (Session Initiation Protocol) разработана модель процесса предоставления услуги речевой связи при использовании мультимедийной подсистемы IMS в смешанных цифро-пакетных сетях связи, что учитывается в модели присутствием функции пограничного контроллера BGCF. Проведена оптимизация параметров и анализ профиля целевой функции. Для обоснования принятых предположений о форме распределений длительности ожидания проведено имитационное моделирование в системе GPSS World.

Третья глава посвящена разработке модели оптимального управления сетевыми ресурсами с учетом требований соглашения об уровне обслуживания SLA. Модель разработана на основе архитектуры управления ресурсами в NGN и результатов анализа некоторых проблем поддержки качества обслуживания с помощью механизма DiffServ.

В результате исследований в третьей главе предложена новая нелинейная функция полезности с учетом интенсивности трафика и задержки пакета. На базе этой функции проведены численные расчеты планов распределения сетевых ресурсов.

В четвертой главе разработана модель расчета пропускной способности участка «сеть доступа - ядро сети» и показано, что требуемая пропускная способность должна превышать интенсивность объединенного потока на величину стохастического запаса, определяемого нормативом на среднюю задержку. Область применения разработанной модели охватывает сети доступа с применением нового сетевого элемента - домашних сетей.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, в приложениях приведены текст программы имитационного моделирования в системе GPSS World, а также акты о внедрении.

Глава 1. Анализ тенденций развития сети связи общего

пользования

1.1 Конвергенция и гармонизация в сетях связи

Понятие конвергенции, как теоретической основы развития сетей связи, появилось в статьях и научных докладах в конце прошлого века, т.е. в эпоху развития цифровых сетей связи, чему также способствовало стремительное развитие сотовых сетей подвижной связи и Интернет.

Как только число пользователей каждой из этих сетей стало сопоставимым с числом пользователей Всемирной телефонной сети связи общего пользования (ТфОП) возникла проблема, как дальше развивать сети: изолированно или, интегрируя ресурсы каждой из этих сетей для достижения общей цели — обслуживания абонентов с высоким качеством.

Взаимопроникновение ресурсов указанных сетей и получило название «конвергенции» [6,11,28]. В дальнейшем конвергенция стала рассматриваться как горизонтальный вектор направления развития сети связи, объединяющий в себе всевозможные ресурсы возникающих новых сетей: сенсорных, автомобильного транспорта и т.д. [5,20,43]. При этом конвергенция решила только часть задачи по обслуживанию абонентов с высоким качеством. Предстояло еще и обеспечить единообразное обслуживание абонентов для всех входящих в ТфОП сетей связи. Это направление назвали «гармонизацией» [1] и ее стало возможным реализовать только в рамках концепции NGN [60], в соответствии с которой все виды информации (речь, видео, данные и т.д.) представляются в единой пакетной форме для предоставления пользователю неограниченного в принципе количества услуг [4]. Это направление развития сетей получило название вертикального [6], поскольку уровень услуг в NGN пронизывает всю архитектуру сверху донизу (Рисунок 1.1).

Рис. 1.1. Платформа для конвергенции и гармонизации в электросвязи.

1.2 Функциональная архитектура NGN

На Рисунке 1.2 представлена функциональная архитектура NGN при ее реализации на основе технологии Softswitch в соответствии с рекомендацией ITU-T Y.2012 [56].

К •2

0

с <

с

S

S1

IP

к

1

End-llscr Function

Legacy Terminal

Customer Network

NGN Terminal

Legacy Terminal

Third Party Application Providers

ANI

Application/Sen Ice Support Functions

S-5: S. User Profile FE

S-4: Subscription Locator FE

S-14: Media Resource Broker FE

S-2: Proxy Call Session Control FE

»-11: User Sign »ling Interworldng FE

T-12: T. User Profile FE

S-15:Multimedia Service FE

S-8: Access GW Control FE

1 T-13: T. Location managenM-nt FE

T-lls T. Authentication ¿¡Authorization FE

1

T-10: T. Network Access Control FE

S-6: S. Authentication & Authorization FE

S-3: Interrogating Call Session Control FE

S-l: Serving Call Session Control FE

S-12: Network Signaling Interior king FE

S-7: Interconnection Border Gateway Control FE

S-10: Breakout Gateway Control FE

S-13: Media Resource Control FE

T-14: Policy Decision FE

T-15: Access Transport Resource Control FE

T-4: Access Relay FE

T-2: Access Node FE

T-Is Access Media Catewav

T-3: Edge Node FE

Access Packet Transport Functions

Hr

1-16 Cot* Transport Resource Control FE

S-9: Media GW Control FE

ТЛ: Media Hunurtt ProCCMlnjt FE

T-J: Access Border (.almv

FE

X

T-9: Signalling

FE

Core Packet Transport Functions

T-6: Interconnection

Boriler Gateway FE

T-7l Trunk Media Gateway FE

Srnpp nf NftN

Other NGN

other IP MM Network (e.g. IMS)

Internet

PSTN/ISDN

Рис. 1.2. Функциональная архитектура NGN

Функциональная архитектура NGN включает в себя два основных уровня: уровень передачи (transport stratum) и уровень услуг (service stratum). На Рисунке. 1.2 функции, относящиеся к уровню передачи, отмечены как Т, а к уровню услуги - как S. В функциональную архитектуру NGN входят также смежные с NGN: существующие ТфОП/ЦСИО (PSTN/ISDN), Интернет, мультимедийные сети (other IP MM Network (IMS)), а также другие сети NGN. Взаимодействие с ТфОП/ЦСИО и Интернет подчеркивает эволюционный характер развития сети, а мультимедийные сети в форме IMS характеризуют дальнейшее развитие концепции NGN и будут подробно рассмотрены в главе 2.

В функциональную архитектуру NGN включены также функции управления сетыо (management functions) и функции оконечного пользователя. Оконечный пользователь пред�