автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка метода расчета пропускной способности мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений

На правах рукописи

КОСТРОВ ВЛАДИМИР ОЛЕГОВИЧ

к

Разработка метода расчета пропускной способности мультисервисных сетей

связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений

Специальность 05.12.13 — Системы, сети и устройства

телекоммуникаций

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 2003 г.

Работа выполнена в Московском техническом университете связи и информатики (МТУСИ)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Лагутин B.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Кучерявый А.Е.,

кандидат технических наук Сергеева О.Ф.

Ведущая организация — Центральный научно-исследовательский

институт связи (ЦНИИС).

Защита состоится 2003 г. в ^^ час. на засе-

дании диссертационного совета К 219.001.03 при Московском техническом университете связи и информатики по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, дом 8-а, МТУСИ, ауд^тУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан &Р■ 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 219.001.03 кандидат технических наук, профессор ск^ Г.Попова

2-003 -А

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Обслуживание потоков сообщений с применением современных пакетных технологий становится для операторов связи заметным источником дохода. Если в начальный период использования сети Интернет главным достоинством пакетной передачи информации была возможность создавать надежные сети, которые могли передавать сообщения на большие расстояния, то в настоящее время на первый план выходит способность этих технологий обеспечить заданное качество обслуживания. К технологиям, обладающим данными характеристиками, необходимо в первую очередь отнести асинхронный режим передачи ATM (Asynchronous Transfer Mode) и особенно перспективную пакетную технологию многопротокольной коммутации меток MPLS (Multi-Protocol Label Switching). Применение каждой из них дает возможность внести в архитектуру межсетевого протокола IP (Internet Protocol) механизм образования виртуальных путей, позволяющий рассматривать процесс их предоставления для поступающих потоков сообщений аналогично тому, как это происходит при занятии маршрута в сетях коммутации каналов. Другой важной характеристикой, обеспечиваемой MPLS, является возможность дифференциации процесса обслуживания потоков сообщений по дисциплине и качеству обслуживания — величине потерь или допустимой задержке в точках концентрации.

Прописывание виртуальных путей совместно с разделением типов сообщений по условиям обслуживания позволяет оператору, с одной стороны, обеспечить требуемые показатели качества обслуживания, а с другой — повысить коэффициент использования канальных ресурсов цифровых линий. Для обоснованного применения указанных действий при решении задач проектирования и эксплуатации мультисервисных сетей связи необходимо построить модели соответствующих сетей и разработать методы расчета характеристик их пропускной способности. Анализ опубликованных работ показал, что в ранее проведенных исследованиях данной тематике уделялось недостаточное внимание. Полученные результаты относились, в основном, к анализу отдельных звеньев и не были пригодны к расчету общих сетевых структур. Все это указывает на актуальность темы диссертации.

Цель работы. Целью диссертационного исследования является разработка методов оценки характеристик пропускной способности мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы теории телетрафика, теории сетей связи, теории массового обслуживания, имитационное моделирование.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ j БИБЛИОТЕКА | С.Петербург мл 09 300$ *xCjj\

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработаны имитационные и аналитические модели мультисервис-ных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений. Пути движения приоритетных потоков сообщений реального времени задаются матрицей маршрутизации. Эти потоки обслуживаются по дисциплине с потерями. Движение пакетов данных задается матрицей переходных вероятностей. Пакеты обслуживаются по дисциплине с ожиданием при наличии на каждом звене неограниченного буфера. Построенные модели содержат в качестве частных случаев известные ранее модели с дифференцированным обслуживанием.

2. Исследовано семейство моделей одно-двухзвенных фрагментов муль-тисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений. Для них составлены и решены системы уравнений равновесия. Получены соотношения между характеристиками моделей, имеющие характер законов сохранения интенсивностей поступающих и обслуженных информационных потоков. Исследованы условия существования у исследуемого семейства моделей стационарного режима, исключающего возможность вхождения системы в режим переполнения буфера. Найдены границы интервала изменения интенсивности поступающих пакетов данных, в котором существует стационарный режим.

3. Разработаны процедуры приближенной оценки характеристик пропускной способности мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений, основанные на построении вспомогательной модели сети с ожиданием с использованием техники декомпозиции. Во вспомогательной модели сохранена структура исходной сети, но отсутствуют потоки сообщений реального времени. Их влияние на процесс заполнения буферов учитывается увеличением интенсивности поступления пакетов данных. Получены выражения для пересчета интенсивностей и оценки средней задержки пакета на каждом звене сети.

4. Рассмотрено использование разработанных в диссертации моделей, алгоритмов и программных средств для решения задачи оценки канальных ресурсов цифровых линий сети, обеспечивающих заданные уровень потерь сообщений реального времени и задержку обслуживания пакетов данных. Разработаны процедуры решения задачи и сформулирована последовательность шагов, которые необходимо выполнить для нахождения решения.

5. Разработанные в диссертации модели, алгоритмы и программные средства использованы для анализа перегрузок в мультисервисной сети связи. Проведено численное исследование поведения показателей качества совместного обслуживания потоков сообщений в условиях перегрузки мультисер-

висной сети. Указаны границы, достижение и превышение которых при увеличении интенсивности поступающих пакетов данных, увеличении интенсивности потоков сообщений реального времени или уменьшении канального ресурса приводят к полному заполнению буфера и потерям большинства пакетов данных.

Личный вклад. Основные научные результаты, приведённые в диссертационной работе, получены автором лично, практические рекомендации и программные реализации алгоритмов и методик разработаны при его непосредственном участии или под его научным руководством.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основании разработанных в диссертации моделей и процедур составлены и программно реализованы алгоритмы расчета характеристик пропускной способности мультисервисной сети с дифференцированным обслуживанием сообщений и оценкой канальных ресурсов цифровых линий сети, обеспечивающих заданный уровень качества обслуживания. Разработанный инструментарий рекомендуется использовать при проектировании и эксплуатации муль-тисервисных сетей связи. Малое время реализации расчетных алгоритмов и высокая точность определения показателей качества обслуживания позволяют в режиме реального времени выполнять многовариантную качественную и количественную оценки различных схем разделения ресурса, сравнивать их эффективность и выбирать среди них наиболее рациональные технические решения.

Результаты диссертации использованы: в ЛОНИИС, ОАО "К.ОМК.ОР" и ОАО "ГИПРОСВЯЗЬ" при проведении НИОКР, разработке и реализации проектов по развитию мультисервисных сетей связи; в ОАО "МГТС" при проектировании и эксплуатации сети передачи данных общего пользования; в учебном процессе факультета АЭСИВТ МТУСИ. Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: International Symposium on Problems of Electronics, Informatics, Computer Systems, Networks ICS-NET 2001 (Moscow,

2001); IEEE/ICC2001 St.Petersburg International Conference on Communications (St.Petersburg, 2001 ); 57-ой Научной сессии НТОРЭС им. А.С.Попова (Москва, 2002); Международном форуме информатизации (МФИ —

2002); International conference "Informational Systems and Technologies 1ST 2002" (Minsk, 2002); St. Petersburg Regional International Teletraffic Seminar "Telecommunication Networks and Teletraffic Theory" (St.Petersburg, 2002); 16th Nordic Teletraffic Seminar (Finland, 2002); научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического соста-

ва Московского технического университета связи и информатики (Москва, 2003); Всероссийской конференции "Сети связи следующего поколения" (Санкт-Петербург, 2003), заседаниях кафедр СУ ГТС и АЭС МТУСИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Проведенное исследование мультисервисных сетей связи показывает технико-экономическую эффективность применения дифференцированного обслуживания потоков сообщений реального времени и пакетов данных для улучшения качества работы сети и повышения коэффициента использования канальных ресурсов цифровых линий.

2. Построенная модель учитывает особенности совместного обслуживания потоков сообщений в мультисервисных сетях связи. Среди них: зависимость используемого канального ресурса от типа вызова, различие обслуживаемых потоков по дисциплине обслуживания, а также наличие на каждом звене сети буфера для задержанных или вытесненных с обслуживания пакетов данных. Общий характер структуры сети и матриц, задающих движение потоков сообщений, позволяет применять модель и созданные на ее основе расчетные алгоритмы для большинства интересных для практики сетевых структур.

3. Разработанные алгоритмы позволяютточно рассчитать показатели качества совместного обслуживания потоков сообщений в мультисервисных сетях связи с дифференцированным обслуживанием. В общем случае это — имитационное моделирование. Для одно-двухзвенных структур это — решение систем уравнения равновесия итерационными методами. Полученные результаты рекомендуется использовать для оценки погрешности приближенных алгоритмов расчета и исследования свойств совместного обслуживания информационных потоков.

4. Реализация принципа декомпозиции позволяет выполнить оценку показателей качества обслуживания сообщений реального времени с помощью модели сети с коммутацией каналов, фиксированной маршрутизацией и явными потерями, обладающей мультипликативной формой представления вероятности состояний числа одновременно обслуживаемых сообщений реального времени. При этом оценку показателей качества обслуживания па- < кетов данных следует выполнять на основе вспомогательной модели сети с ожиданием и буферами бесконечной емкости, также обладающей мультипликативной формой представления вероятности состояния числа пакетов, , находящихся на ожидании и обслуживании на каждом звене сети. Погрешность расчета оценивалась на нескольких контрольных вариантах средствами имитационного моделирования и находится в интервале 10-20 %.

5. Разработанные модели и алгоритмы рекомендуется использовать для решения важных для практики задач определения канального ресурса цифровых линий сети, обеспечивающего заданный уровень качества обслуживания сообщений реального времени (доля потерянных заявок) и пакетов данных (среднее время задержки), а также для оценки границ, достижение которых при увеличении интенсивности поступающих пакетов данных, увеличении интенсивности сообщений реального времени или уменьшения канального ресурса приводит сеть в состояние перегрузки.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений. Работа изложена на 151 страницах машинописного текста, содержит 29 страниц рисунков, 12 страниц таблиц. Список литературы включает 144 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, ее актуальность, научная новизна, сформулированы цели и основные задачи исследования.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ путей развития сетей связи нового поколения. Показано, что основным ее элементом является транспортная сеть пакетной коммутации (мультисервисная сеть), в которой реализован комплекс аппаратных и программных средств дифференцированного обслуживания сообщений в соответствии с заявленными категориями сервиса, позволяющий организовать их обслуживание с учетом требований к величине потерь или задержке в точках концентрации. Сообщения, допускающие задержку, в диссертации называются пакетами данных, а сообщения, не допускающие задержку и требующие для обслуживания гарантированного канального ресурса, — сообщениями реального времени. В данной интерпретации к пакетам данных можно отнести потоки сообщениий сети Интернет, а к сообщениям реального времени — потоки сообщений интерактивных коммуникационных приложений, в частности — речь и видео. Терпимость пакетов данных к задержке позволяет им использовать канальный ресурс, оставшийся свободным от обслуживания сообщений реального времени, а также в случае необходимости ожидать его освобождения. Гибкое разделение канального ресурса сети даёт возможность администрации телекоммуникационных компаний, с одной стороны, повысить коэффициент использования цифровых линий, а с другой — предоставить гарантированное качество обслуживания тем пользователям, которым оно действительно необходимо по характеру сообщений, и которые готовы за это качество платить. Для научно-обоснованного применения указанного подхода необходи-

мо разработать модель, а на ее основе метод оценки характеристик пропускной способности мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием. Несмотря на актуальность проблематики, проведенный в первой главе диссертации анализ выполненных исследований показал недостаточность полученных ранее результатов для проведения мероприятий по повышению эффективности управления мультисервисной сетью. Первая глава заканчивается постановкой задачи исследования.

Вторая глава диссертации посвящена построению и исследованию модели мультисервисной сети связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений. Основной передаточной единицей (ОПЕ) назван наибольший общий делитель скоростей передачи линий сети и требований к скорости передачи каждого из обслуживаемых потоков сообщений, а канальным ресурсом .7-ой цифровой линии у3 — ее скорость, выраженная в ОПЕ. В сети имеется J цифровых линий (звеньев сети), на которые поступает на обслуживание п потоков сообщений реального времени по дисциплине с потерями и в соответствии с маршрутной матрицей С} = размера ,/ х п с компонентами

91.1 <71,2 91.3 ■ ■ • <71.п-1 91.71 Q_ <72.1 <72.2 <72 3 ••• <72.71-1 <72.71

97.1 97.2 973 ••• 97,71-1 9.7.71

Элемент матрицы д^ = Ьесли к-ый поток сообщений реального времени использует j-yю линию, занимая при этом Ьд ОПЕ для обслуживания одного сообщения. В противном случае д3к = 0. Поступающий к-ът поток сообщений реального времени характеризуется интенсивностью и средней длительностью занятия ресурса при обслуживании одного сообщения

В сеть также поступает на обслуживание 3 потоков пакетов данных по дисциплине с ожиданием в соответствии с матрицей переходных вероятностей Р. Для к > 0, Р(з, к) — вероятность продолжения обслуживания пакета на линии к после завершения обслуживания на линии у. Для к — О, Р(.7,0) — вероятность завершения обслуживания на линии j с последующим уходом из сети. Пакет принимается к обслуживанию на .7-ой линии, если на ней имеется хотя бы одна свободная ОПЕ. Если канальный ресурс занят, пакет ждет его освобождения в буфере неограниченной емкости. Пакеты данных, поступающие на .7-ую линию, характеризуются интенсивностью первичного потока XI{J, средней длительностью занятия ресурса при обслуживании одного пакета -7- и интенсивностью общего потока пакетов данных 7,, об-

/М. 7 ^

разоваиного в соответствии с реализацией компонент матрицы переходных вероятностей Р. Значения находятся из решения системы линейных уравнений

Ъ =" + 71Р(1,7) + + • • • + 7М^З)* 1,2,.... 7.

Процесс совместного поступления и обслуживания сообщений реального времени и пакетов данных на ¿-ой линии сети показан на рис.1.

Потоки сообщений реального времени, обслуживаемые в соо!ветствии с маршрутной матрицей, на ]-ой линии сети.

£

]~ая цифровая линия со скоростью У| ОПЕ

Буфер неограниченной емкости

V к отпиып

Потоки пакетов данных, обслуживаемые в соответствии с матрицей вероятностей переходов, на ./-ой линии сети

£

Вытесненные с обслуживания пакеты попадают в буфер и начинают обслуживаться заново по мере появления свободного канального ресурса

После завершения обслуживания пакета на ьой линии происходит

©

Воэорзг на повторное обслуживание на }• ой лиши

Переход на другое лижи сети

Завершен« обспунаюаиияи V уходизов™

Рис.1. Схема совместною поступления и обслуживания сообщении реального времени и пакетов данных на ^-ой линии сети

Сообщение реального времени имеет абсолютный приоритет в занятии канального ресурса и в случае необходимости может прервать обслуживание требуемого числа пакетов. Вытесненные пакеты попадают а буфер и заново обслуживаются по мере появления свободного канального ресурса. В диссертации принято, что все входные потоки сообщений реального времени

и первичные потоки пакетов данных - пуаесоновские, а длительности обслуживания сообщений всех видов имеют экспоненциальное распределение. В этих предположениях функционирование модели описывается марковским процессом г(£) с компонентами,

r{t) = (гсЛ(£), • ■ ■ ■ i,.n{t), ilLi{t),..., ij.j{t)),

где i,-x{t) — число сообщений реального времени к-то потока, находящихся на обслуживании в момент времени i; id.j{t) — число пакетов данных, находящихся в момент времени t на j-ой линии на обслуживании или ожидании. Процесс г(£) определен на бесконечном пространстве состояний S. Через P{ir_ 1,..., гс „, г,1.1,..., id.j) обозначены стационарные вероятности r(t). Для существования стационарного режима значение ■yj/nd.j для всех j должно быть строго меньше средней величины канального ресурса j-ой линии, оставшегося свободным от обслуживания потоков сообщений реального времени.

Качество обслуживания fc-ro потока сообщений реального времени характеризуется долей потерянных заявок на установление соединения 7ггд. и средним значением занятого канального ресурса Мс.к- Качество обслуживания пакетов данных характеризуется средним временем задержки пакета на j'-ой линии Wj, которая складывается из времени обслуживания и времени пребывания в буфере. Величина Wj рассчитывается с помощью формулы Литтла

ъ

где yj — среднее число пакетов, находящихся на j-ой линии на ожидании и обслуживании. Выражения для указанных характеристик через значения Р(ггл, •.. ,гг.„, id.\, ■ ■ • , id j) приведены в тексте диссертации. Для иллюстрации ограничимся формулой для у3

Уз= kj Р{гс.1,-■ ■ ,ic.n,id,i,-■ ■ Jd.j)- (1)

(îc.l.....'с,п 'd, 1.....

Построенная модель в общем виде задает структуру сети, а также маршруты следования потоков сообщений реального времени и пакетов данных.

В третьей главе диссертации исследовано несколько важных частных случаев введенной модели, имеющих небольшое число узлов и входных потоков. Среди них: однозвенная модель с одним потоком сообщений реального времени и одним потоком пакетов данных; двухзвенная модель с тремя потоками сообщений реального времени и двумя потоками пакетов данных;

однозвенная модель с произвольным числом потоков сообщений реального времени и одним потоком пакетов данных. Для всех моделей получены выражения показателей качества совместного обслуживания сообщений, найдены границы изменения интенсивности потока пакетов данных, при которых система связи не переходит в режим переполнения, составлена система уравнений равновесия и рассмотрено ее решение итерационными методами.

На основании разработанных алгоритмов проведено численное исследование особенностей совместного обслуживания сообщений в мультисервис-ных сетях связи. Показано, что для подобных сетей увеличение интенсивности поступления сообщений с малым использованием канального ресурса может закрыть доступ к обслуживанию сообщений с большим использованием ресурса. Результаты расчетов для модели сети с параметрами: V = 90,

Рис.2. Зависимости (левая часть рисунка) и МсД/г_2 (правая часть рисунка) от

увеличения АГ11

Ь = 100 (ограничение на величину буфера), п = 2, 3 — 1, 61 = 1, Ь2 = 30, Ас,2 = 60, цс.1 = 1, 2 = 1, к1 = 20, м = 1 приведены на рис.2 и подтверждают этот вывод. Несмотря на значительный рост интенсивности поступления сообщений 1 -го потока (с 30 до 80 сообщений за среднюю длительность обслуживания), доля потерянных сообщений этого потока практически не изменилась и осталась примерно равной 3,5 %. Это произошло за счет вытеснения с обслуживания сообщений 2-го потока, для которого в рассматриваемой ситуации средний занятый ресурс уменьшился с 30 ОПЕ практически до 0. При этом у 1 -го потока занятый ресурс увеличился с 30 почти до 80

ОПЕ. Отмеченное неконтролируемое перераспределение канального ресурса между пользователями требует от администрации телекоммуникационных компаний принятия специальных мер. Это явление подтверждает необходимость использования в мультисервисных сетях связи дифференцированных схем обслуживания, исследуемых в диссертации.

В четвертой главе диссертационного исследования построены приближенные алгоритмы оценки характеристик пропускной способности мультисервисных сетей с дифференцированным обслуживанием сообщений, основанные на реализации метода декомпозиции. Сообщения реального времени имеют абсолютный приоритет, поэтому их показатели качества обслуживания находятся независимо от пакетов данных. Точные значения характеристик определяются алгоритмом свертки, основанным на свойстве мультипликативного представления вероятности состояния числа обслуживаемых сообщений реального времени. Приближенные — на основе метода просеянной нагрузки:

7ГС * « 1 - J] (1 - Р3)Ьк, Мс,к « афк{ 1 - жс.к), к =1,2,..., п. (2)

Здесь Rk — множество номеров линий сети, составляющих А;-ый маршрут, о-к = Величины (3j — потери всех потоков сообщений реального времени на j-ой линии, определяемые из решения системы неявных уравнений,

Pj = E[vJ>TZre~.Ysa»b» Ш1-^")' J = 1,2,...,./, (3)

у ' ■> n<=N, eeRn /

a Nj — множество номеров потоков сообщений реального времени, которым доступна j-ая линия сети.

Приближенный расчет характеристик качества обслуживания пакетов проводится на базе вспомогательной модели. В ней сохранена структура исходной сети, отсутствуют потоки сообщений реального времени, а значения 7j общей интенсивности поступления пакетов данных на j-ую линию увеличиваются на величину

Aí = TZTEaAn(1-/3<)4"' (4)

Pj neNj ieR„

оценивающую поток пакетов данных, вытесненных в исходной сети с обслуживания сообщениями реального времени. Вспомогательная модель сети обладает свойством мультипликативности, что позволяет рассчитать среднее

время задержки пакета на каждой линии независимо от других. Соответствующее выражение для И^,= 1,2,..., 7 имеет вид

у7в,Е(у,,в3) 1 .7, +Л,

+ ■

(5)

Численные исследования, проведенные на нескольких контрольных вариантах, показали, что реализация сформулированного подхода позволяет на несколько порядков, т.е. более чем в 1000 раз, снизить трудоёмкость оценки показателей качества совместного обслуживания потоков сообщений. При этом в зависимости от значений входных параметров относительная погрешность оценки лежит в интервале от 10 до 20 %. Схема модели сети, использованной для оценки погрешности приближенного расчета показателей качества обслуживания пакетов данных, показана на рис.3. Чтобы не загромождать рисунок, на нем показаны только маршруты движения сообщений реального времени.

Рис.3. Схема сети с маршрутами следования сообщений реального времени, использованная для оценки погрешности приближенной процедуры расчета показателей качества обслуживания пакетов данных

В четвертой главе диссертации рассмотрено использование построенной

модели и алгоритмов ее расчета для решения двух важных для практики задач: исследования явления перегрузки и определения величины канального ресурса линий сети, обеспечивающего заданные характеристики качества обслуживания потоков сообщений реального времени и данных. Сеть входит в состояние перегрузки, когда нарушаются условия существования стационарного режима. На основе разработанных алгоритмов проведено численное исследование способов выхода сети из состояния перегрузки. Это: уменьшение интенсивности потока сообщений реального времени, уменьшение интенсивности потока пакетов данных, увеличение канального ресурса. В диссертации отмечается, что схемы выхода из зоны перегрузки, основанные на ограничении входных потоков, можно рассматривать как меры, связанные с необходимостью принятия оперативных решений. При их реализации уменьшается число обслуженных сообщений, а это — потери доходов сети. В данной ситуации более рациональное решение — это увеличение пропускной способности линий. Определить потребное количество добавочного канального ресурса можно с использованием алгоритмов, развитых в диссертации.

Задача оценки канального ресурса формулируется следующим образом. Даны структура сети и маршруты следования потоков сообщений реального времени и пакетов данных в форме маршрутной матрицы и матрицы вероятностей переходов. Требуется: определить величину канального ресурса линий, при котором потоки сообщений реального времени будут обслужены с заданным качеством (это доля потерянных сообщений), а также указать максимальную интенсивность потоков данных, которые могут быть переданы в сети с заданным качеством (в рассматриваемом случае это среднее время задержки). Решение осуществляется методом подбора, начиная с нижних границ искомых характеристик. Для скорости ^'-ой линии это — целая часть от суммарной интенсивности потоков сообщений реального времени, проходящих через 7-ое звено сети, а для интенсивности потоков данных в качестве нижней границы берется значение 0. Численные расчеты на контрольных вариантах показали корректность решения поставленной задачи.

В заключении сформулированы основные результаты проведенных исследований.

В Приложениях к диссертации приведены промежуточные результаты, полученные при составлении систем уравнений равновесия, а также результаты расчетов, не вошедшие в основной текст, и акты внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Проведен анализ особенностей построения и эксплуатации мульти-сервисных сетей связи, являющихся основным элементом сетей связи нового поколения. Он показал технико-экономическую эффективность применения дифференцированного обслуживания потоков сообщений реального времени и пакетов данных для улучшения качества работы сети и повышения коэффициента использования канальных ресурсов линий. Исследование, выполненное по материалам опубликованных работ, показывает отсутствие расчетных методов, пригодных для оценки характеристик пропускной способности мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием сообщений в условиях общей структуры сети и предположений о характере движения потоков сообщений. Подобные методы необходимы для научно-обоснованного решения инженерных задач, возникающих при проектировании и эксплуатации телекоммуникационных сетей.

2. Построены и исследованы имитационные и аналитические модели мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений. Пути движения приоритетных потоков сообщений реального времени задаются матрицей маршрутизации, а сами сообщения принимаются к обслуживанию на основе схемы с потерями. Движение пакетов данных определяется в соответствии с матрицей переходных вероятностей, и они обслуживаются на основе схемы с ожиданием при наличии на каждом звене сети неограниченного буфера. Показано, что общий характер структуры сети и матриц, отражающих характер и направление движения потоков сообщений, позволяет применять разработанные модели и созданные на их основе расчетные алгоритмы для большинства интересных с точки зрения практики сетевых структур, куда входят линейные, полносвязные и кольцевые структуры.

3. На основе составления и исследования системы уравнений равновесия выполнен анализ семейства моделей одно-двухзвенных фрагментов мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений реального времени и пакетов данных. Разработаны алгоритмы точной оценки характеристик пропускной способности сети на основе решения системы уравнений равновесия итерационными методами. Получены соотношения между характеристиками модели, имеющие характер законов сохранения интенсивностей поступающих и обслуженных системой информационных потоков. Показано использование найденных соотношений для косвенной оценки значений отдельных характеристик. Исследованы условия существования у исследуемого семейства моделей стационарного режи-

ма, исключающего возможность вхождения системы в режим переполнения буфера. Найдены границы интервала изменения интенсивности поступления пакетов данных, при котором существует стационарный режим. Построена схема определения соответствующих границ для моделей мультисервисных сетей связи.

4. На основе реализации принципа декомпозиции разработаны алгоритмы приближенной оценки характеристик пропускной способности мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений. Показано, что оценку показателей качества обслуживания потоков сообщений реального времени можно вести с помощью модели сети с коммутацией каналов, фиксированной маршрутизацией сообщений и явными потерями заблокированных вызовов. Данная модель обладает мультипликативной формой представления вероятности состояний числа одновременно обслуживаемых сообщений реального времени. Для оценки показателей качества обслуживания пакетов данных построена вспомогательная модель сети с ожиданием и буферами бесконечной емкости, также обладающая мультипликативной формой представления вероятности состояния числа пакетов, находящихся на ожидании и обслуживании на каждом звене сети. Реализация алгоритма в 1000 и более раз ускоряет процесс вычисления характеристик пропускной способности сети при приемлемой для практики точности, которая оценивалась на нескольких контрольных вариантах средствами имитационного моделирования и находится в интервале 10-20%.

5. Проведено аналитическое и численное исследование схем вхождения сети в состояние перегрузки, когда нарушаются условия существования стационарного режима. Указаны границы, достижение и превышение которых при увеличении интенсивности поступления пакетов данных, увеличении потоков сообщений реального времени или уменьшении канального ресурса приводят к неограниченному заполнению буфера и потерям большинства пакетов данных. Проанализированы варианты выхода сети из состояния перегрузки на основе уменьшения интенсивности потока сообщений реального времени, уменьшения интенсивности потока данных, увеличения канального ресурса и даны рекомендации по их реализации.

6. Разработанные в диссертации модели, алгоритмы и программные средства использованы для решения важной для практики задачи оценки величины канального ресурса цифровых линий сети, обеспечивающего заданный уровень качества обслуживания сообщений реального времени (доля потерянных заявок) и пакетов данных (среднее время задержки). Разработана методика решения задачи и сформулирована последовательность шагов, которые необходимо выполнить для нахождения решения.

Список публикаций

1. Лагутин B.C., Костров В.О.,'Степанов С.Н. Повышение эффективности использования цифровых линий на сетях связи // Аналитический и информационный журнал "Документальная Электросвязь". - №6. — 2001.-С.7-14.

2. Костров В.О. Особенности моделирования технологии разделения типов трафика в мультисервисных сетях MPLS // Труды 57-ой Научной сессии, посвященной дню радио. — Москва. 15-16 мая 2002. — С. 195.

3. Костров В.О. Использование цифровой сети общего пользования МГТС для развития современных услуг связи // Труды Международного форума информатизации (МФИ-2002). - Москва. 2002. - С.29.

4. Костров В.О. Сеть передачи данных общего пользования — основа развития современных услуг связи // Труды Международного форума информатизации (МФИ-2002). - Москва. 2002. - С.27-28.

5. Костров В.О. Формализованное представление процесса обслуживания нагрузки в сетях ATM и MPLS, анализируемых на уровне соединения // Труды научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава Московского технического университета связи и информатики. — Москва. 2003. - С. 10-12.

6. Костров В.О. Некоторые аспекты моделирования телекоммуникационных сетей с использованием технологии разделения типов трафика // Труды научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава Московского технического университета связи и информатики. — Москва. 2003. — С.8-10.

7. Костров В.О.Анализ схем образования "узких мест" на мультисервисных пакетных сетях // Труды Всероссийской конференции "Сети связи следующего поколения" - Санкт-Петербург. 2003. - С. 123-128.

8. Костров В.О., Степанов С.Н. Моделирование процесса перегрузки на мультисервисных пакетных сетях // Труды Всероссийской конференции "Сети связи следующего поколения" — Санкт-Петербург. 2003. — С.36-41.

9. Лагутин B.C., Костров В.О. Формализованное представление процесса занятия полосы передачи в мультисервисных пакетных сетях, рассматриваемых на уровне соединения// Электросвязь. — 2003. - № 1.— С.31-34.

10. Лагутин B.C., Костров В.О. Оценка характеристик пропускной способности мультисервисных пакетных сетей при реализации технологии разделения типов нагрузки // Электросвязь. — 2003. — № 3. — С.28-32.

11. Kostrov V.O., Lagutin V.S., Stepanov S.N. Approximate Methods of Analysis Telecommunication Systems with Reservation Mixing Wideband and Narrowband Traffics // Pr. International Symposium on Problems of Electronics, Informatics, Computer Systems. - Networks ICS-NET' 2001. — Russia. - Moscow.

12. Stepanov S.N., Lagutin V.S., Kostrov V.O. Performance Analysis of Multi-flow Models with Reservation Mixing Preemptive Wideband and Queueable Narrowband Calls // Pr. IEEE/ICC2001 St.Petersburg International Conference on Communications. — Russia. St.Petersburg. June 11 -15. — 2001. -P.101-106.

13. Kostrov V.O. Modelling of networks based on MPLS technology and considered on connection level // Pr. of the International conference "Informational Systems and Technologies(IST'2002)". — Minsk. November 5-8. — 2002 - P.293-297.

14. Kostrov V.O. Performance measures estimation of networks based on MPLS technology and considered on connection level // Pr. of the International conference "Informational Systems and Technologies(IST'2002)". — Minsk. November 5-8. - 2002 - P.298-301.

15. Stepanov S.N., Iversen V.B., Kostrov V.O. Optimized Dimensioning of Large Bandwidth Resources Under MPLS Technology// Pr. of St. Petersburg Regional International Teletraffic Seminar "Telecommunication Network and Teletraffic Theory". - Russia. St.Petersburg. Loniis. 29 January-1 February. - 2002. - P.50-63.

16. Stepanov S.N., Iversen V.B., Lagutin V.S., Kostrov V.O. Modelling Issues of Differentiated Services in MPLS Networks // Pr. of St. Petersburg Regional International Teletraffic Seminar "Telecommunication Network and Teletraffic Theory". — Russia. St. Petersburg. Loniis. 29 January-1 February. - 2002. - P.88-93.

17. Stepanov S.N., Iversen V.B., Kostrov V.O. Modellingand Performance Measures Estimation of Networks with Differentiated Services // Pr. of 16th Nordic Teletraffic Seminar. — Finland. Espoo. Department of Electrical and Communications Engineering. Helsinki University of Technology. 21-23 August. 2002. - P.70-77.

I I

i

TAf£\ H49 6 1

Список русскоязычных сокращений

Список англоязычных сокращений

Основные обозначения

Введение

Глава 1. Анализ технологий мультисервисных сетей связи

1.1. Современное состояние и перспективы развития мультисервисных сетей связи.

1.2. Анализ методов расчета пропускной способности мультисервисных сетей связи.

1.3. Сравнительный анализ пакетных технологий, обеспечивающих нормируемое качество обслуживания

1.3.1. Основные понятия, используемые при описании пакетных технологий

1.3.2 . Технология коммутации пакетов по протоколу Х.25.

1.3.3 . Технология с ретрансляцией кадров Frame Relay

1.3.4. Технология асинхронного режима переноса сообщений ATM.

1.3.5 . Технология многопротокольной коммутации меток MPLS.

1.4. Характеристика и свойства технологии MPLS.

1.4.1. Основные понятия.

1.4.2. Технология обобщенной многопротокольной коммутации GMPLS

1.4.3. Управление трафиком.

1.4.4. Сравнение технологии MPLS с другими пакетными технологиями

1.5. Схемы обеспечения заданного качества обслуживания.

1.5.1. Классификация приложений по характеристикам качества обслуживания

1.5.2 . Интегрированное и дифференцированное обслуживание.

1.6. Выводы и постановка задач исследования

Глава 2. Анализ методов расчета пропускной способности мультисервисных сетей на уровне соединений

2.1. Краткое содержание главы.

2.2. Формализованное представление процесса занятия канального ресурса в мультисервисных сетях связи

2.3. Особенности построения математических моделей процессов обслуживания сообщений в мультисервисных сетях связи.

2.3.1. Основные элементы и схема модели.

2.3.2 . Основные допущения

2.3.3 . Характеристики качества совместного обслуживания потоков сообщений 2.3.4 . Анализ методов оценки показателей качества совместного обслуживания потоков сообщений в мультисервисных сетях связи.

2.4. Особенности представления отдельных сетевых топологий: линейная, кольцевая, полносвязная

2.5. Оценка показателей качества совместного обслуживания потоков сообщений с использованием систем уравнений равновесия.

2.6. Оценка показателей качества совместного обслуживания потоков соощений с использованием имитационного моделирования.

2.7. Выводы

Глава 3. Исследование характеристик качества обслуживания потоков со-"f общений для фрагментов мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием

3.1. Краткое содержание главы.

3.2. Исследование однозвенной двухпотоковой сети.

3.2.1. Схема модели.

3.2.2. Составление системы уравнений равновесия.

3.2.3 . Решение системы уравнений равновесия

3.2.4. Анализ режима перегрузки.

3.2.5. Численные примеры.

3.3. Исследование двухзвенной пятипотоковой сети

3.3.1. Схема модели.

3.3.2. Характеристики качества совместного обслуживания потоков сообщений

3.3.3. Составление и решение системы уравнений равновесия.

3.3.4. Численные примеры.

3.4. Однозвенная многопотоковая сеть.

3.4.1. Схема модели.

3.4.2 . Показатели качества совместного обслуживания потоков сообщений и их оценка с использованием системы уравнений равновесия

3.4.3 . Анализ результатов вычислений.

3.5. Выводы

Глава 4. Разработка и реализация инженерных методик оценки характеристик качества обслуживания потоков сообщений мультисервисных сетей связи

4.1. Краткое содержание главы.

4.2. Исследование особенностей применения метода декомпозиции при расчете модели мультисервисной сети с дифференцированным обслуживанием

4.3. Оценка характеристик качества обслуживания потоков сообщений реального времени.

4.3.1. Точный метод расчета.

4.3.2. Приближенный метод расчета.

4.4. Оценка характеристик качества обслуживания потоков пакетов данных

4.4.1. Точный метод расчета.

4.4.2. Приближенный метод расчета.

4.5. Анализ погрешности метода декомпозиции.

4.6. Оценка требуемого канального ресурса в зависимости от качества обслуживания

4.7. Перегрузки в мультисервисной сети и способы их устранения.

4.8. Выводы

Актуальность темы. Обслуживание потоков сообщений с применением современных пакетных технологий становится для операторов связи заметным источником дохода. Если в начальный период использования сети Интернет главным достоинством пакетной передачи информации была возможность создавать надежные сети, которые могли передавать сообщения на большие расстояния, то в настоящее время на первый план выходит способность этих технологий обеспечить заданное качество обслуживания. К технологиям, обладающим данными характеристиками, необходимо в первую очередь отнести асинхронный режим передачи ATM (Asynchronous Transfer Mode) и особенно перспективную пакетную технологию многопротокольной коммутации меток MPLS (Multi-Protocol Label Switching). Применение каждой из них дает возможность внести в архитектуру межсетевого протокола IP (Internet Protocol) механизм образования виртуальных путей, позволяющий рассматривать процесс их предоставления для поступающих потоков сообщений аналогично тому, как это происходит при занятии маршрута в сетях коммутации каналов. Другой важной характеристикой, обеспечиваемой MPLS, является возможность дифференциации процесса обслуживания потоков сообщений по дисциплине и качеству обслуживания — величине потерь или допустимой задержке в точках концентрации.

Прописывание виртуальных путей совместно с разделением типов сообщений по условиям обслуживания позволяет оператору, с одной стороны, обеспечить требуемые показатели качества обслуживания, а с другой — повысить коэффициент использования канальных ресурсов цифровых линий. Для обоснованного применения указанных действий при решении задач проектирования и эксплуатации мультисервисных сетей связи необходимо построить модели соответствующих сетей и разработать методы расчета характеристик их пропускной способности. Анализ опубликованных работ показал, что в ранее проведенных исследованиях данной тематике уделялось недостаточное внимание. Полученные результаты относились, в основном, к анализу отдельных звеньев и не были пригодны к расчету общих сетевых структур. Все это указывает на актуальность темы диссертации.

Цель работы. Целью диссертационного исследования является разработка методов оценки характеристик пропускной способности мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы теории телетрафика, теории сетей связи, теории массового обслуживания, имитационное моделирование.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработаны имитационные и аналитические модели мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений. Пути движения приоритетных потоков сообщений реального времени задаются матрицей маршрутизации. Эти потоки обслуживаются по дисциплине с потерями. Движение пакетов данных задается матрицей переходных вероятностей. Пакеты обслуживаются по дисциплине с ожиданием при наличии на каждом звене неограниченного буфера. Построенные модели содержат в качестве частных случаев известные ранее модели с дифференцированным обслуживанием.

2. Исследовано семейство моделей одно-двухзвенных фрагментов мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений. Для них составлены и решены системы уравнений равновесия. Получены соотношения между характеристиками моделей, имеющие характер законов сохранения интенсивностей поступающих и обслуженных информационных потоков. Исследованы условия существования у исследуемого семейства моделей стационарного режима, исключающего возможность вхождения системы в режим переполнения буфера. Найдены границы интервала изменения интенсивности поступающих пакетов данных, в котором существует стационарный режим.

3. Разработаны процедуры приближенной оценки характеристик пропускной способности мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений, основанные на построении вспомогательной модели сети с ожиданием с использованием техники декомпозиции. Во вспомогательной модели сохранена структура исходной сети, но отсутствуют потоки сообщений реального времени. Их влияние на процесс заполнения буферов учитывается увеличением интенсивности поступления пакетов данных. Получены выражения для пересчета интенсивностей и оценки средней задержки пакета на каждом звене сети.

4. Рассмотрено использование разработанных в диссертации моделей, алгоритмов и программных средств для решения задачи оценки канальных ресурсов цифровых линий сети, обеспечивающих заданные уровень потерь сообщений реального времени и задержку обслуживания пакетов данных. Разработаны процедуры решения задачи и сформулирована последовательность шагов, которые необходимо выполнить для нахождения решения.

5. Разработанные в диссертации модели, алгоритмы и программные средства использованы для анализа перегрузок в мультисервисной сети связи. Проведено численное исследование поведения показателей качества совместного обслуживания потоков сообщений в условиях перегрузки мультисервисной сети. Указаны границы, достижение и превышение которых при увеличении интенсивности поступающих пакетов данных, увеличении интенсивности потоков сообщений реального времени или уменьшении канального ресурса приводят к полному заполнению буфера и потерям большинства пакетов данных.

Личный вклад. Основные научные результаты, приведённые в диссертационной работе, получены автором лично, практические рекомендации и программные реализации алгоритмов и методик разработаны при его непосредственном участии или под его научным руководством.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основании разработанных в диссертации моделей и процедур составлены и программно реализованы алгоритмы расчета характеристик пропускной способности мультисервисной сети с дифференцированным обслуживанием сообщений и оценкой канальных ресурсов цифровых линий сети, обеспечивающих заданный уровень качества обслуживания. Разработанный инструментарий рекомендуется использовать при проектировании и эксплуатации мультисервисных сетей связи. Малое время реализации расчетных алгоритмов и высокая точность определения показателей качества обслуживания позволяют в режиме реального времени выполнять многовариантную качественную и количественную оценки различных схем разделения ресурса, сравнивать их эффективность и выбирать среди них наиболее рациональные технические решения.

Результаты диссертации использованы: в ЛОНИИС, ОАО "КОМКОР" и ОАО "ГИПРОСВЯЗЬ" при проведении НИОКР, разработке и реализации проектов по развитию мультисервисных сетей связи; в ОАО "МГТС" при проектировании и эксплуатации сети передачи данных общего пользования; в учебном процессе факультета АЭСИВТ МТУСИ. Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: International Symposium on Problems of Electronics, Informatics, Computer Systems, Networks ICS-NET 2001 (Moscow, 2001); IEEE/ICC2001 St.Petersburg International Conference on Communications (St.Petersburg, 2001); 57-ой Научной сессии НТОРЭС им. А.С.Попова (Москва, 2002); Международном форуме информатизации (МФИ - 2002); International conference "Informational Systems and Technologies 1ST 2002"

Minsk, 2002); St. Petersburg Regional International Teletraffic Seminar "Telecommunication Networks and Teletraffic Theory" (St.Petersburg, 2002); 16th Nordic Teletraffic Seminar (Finland, 2002); научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава Московского технического университета связи и информатики (Москва, 2003); Всероссийской конференции "Сети связи следующего поколения" (Санкт-Петербург, 2003), заседаниях кафедр СУ ГТС и АЭС МТУСИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Проведенное исследование мультисервисных сетей связи показывает технико-экономическую эффективность применения дифференцированного обслуживания потоков сообщений реального времени и пакетов данных для улучшения качества работы сети и повышения коэффициента использования канальных ресурсов цифровых линий.

2. Построенная модель учитывает особенности совместного обслуживания потоков сообщений в мультисервисных сетях связи. Среди них: зависимость используемого канального ресурса от типа вызова, различие обслуживаемых потоков по дисциплине обслуживания, а также наличие на каждом звене сети буфера для задержанных или вытесненных с обслуживания пакетов данных. Общий характер структуры сети и матриц, задающих движение потоков сообщений, позволяет применять модель и созданные на ее основе расчетные алгоритмы для большинства интересных для практики сетевых структур.

3. Разработанные алгоритмы позволяют точно рассчитать показатели качества совместного обслуживания потоков сообщений в мультисервисных сетях связи с дифференцированным обслуживанием. В общем случае это — имитационное моделирование. Для одно-двухзвенных структур это — решение систем уравнения равновесия итерационными методами. Полученные результаты рекомендуется использовать для оценки погрешности приближенных алгоритмов расчета и исследования свойств совместного обслуживания информационных потоков.

4. Реализация принципа декомпозиции позволяет выполнить оценку показателей качества обслуживания сообщений реального времени с помощью модели сети с коммутацией каналов, фиксированной маршрутизацией и явными потерями, обладающей мультипликативной формой представления вероятности состояний числа одновременно обслуживаемых сообщений реального времени. При этом оценку показателей качества обслуживания пакетов данных следует выполнять на основе вспомогательной модели сети с ожиданием и буферами бесконечной емкости, также обладающей мультипликативной формой представления вероятности состояния числа пакетов, находящихся на ожидании и обслуживании на каждом звене сети. Погрешность расчета оценивалась на нескольких контрольных вариантах средствами имитационного моделирования и находится в интервале 10-20 %.

5. Разработанные модели и алгоритмы рекомендуется использовать для решения важных для практики задач определения канального ресурса цифровых линий сети, обеспечивающего заданный уровень качества обслуживания сообщений реального времени (доля потерянных заявок) и пакетов данных (среднее время задержки), а также для оценки границ, достижение которых при увеличении интенсивности поступающих пакетов данных, увеличении интенсивности сообщений реального времени или уменьшения канального ресурса приводит сеть в состояние перегрузки.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений. Работа изложена на 151 страницах машинописного текста, содержит 29 страниц рисунков, 12 страниц таблиц. Список литературы включает 144 наименования.

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Проведен анализ особенностей построения и эксплуатации мультисервисных сетей связи, являющихся основным элементом сетей связи нового поколения. Он показал технико-экономическую эффективность применения дифференцированного обслуживания потоков сообщений реального времени и пакетов данных для улучшения качества работы сети и повышения коэффициента использования канальных ресурсов линий. Исследование, выполненное по материалам опубликованных работ, показывает отсутствие расчетных методов, пригодных для оценки характеристик пропускной способности мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием сообщений в условиях общей структуры сети и предположений о характере движения потоков сообщений. Подобные методы необходимы для научно-обоснованного решения инженерных задач, возникающих при проектировании и эксплуатации телекоммуникационных сетей.

2. Построены и исследованы имитационные и аналитические модели мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений. Пути движения приоритетных потоков сообщений реального времени задаются матрицей маршрутизации, а сами сообщения принимаются к обслуживанию на основе схемы с потерями. Движение пакетов данных определяется в соответствии с матрицей переходных вероятностей, и они обслуживаются на основе схемы с ожиданием при наличии на каждом звене сети неограниченного буфера. Показано, что общий характер структуры сети и матриц, отражающих характер и направление движения потоков сообщений, позволяет применять разработанные модели и созданные на их основе расчетные алгоритмы для большинства интересных с точки зрения практики сетевых структур, куда входят линейные, полносвязные и кольцевые структуры.

3. На основе составления и исследования системы уравнений равновесия выполнен анализ семейства моделей одно-двухзвенных фрагментов мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений реального времени и пакетов данных. Разработаны алгоритмы точной оценки характеристик пропускной способности сети на основе решения системы уравнений равновесия итерационными методами. Получены соотношения между характеристиками модели, имеющие характер законов сохранения интенсивностей поступающих и обслуженных системой информационных потоков. Показано использование найденных соотношений для косвенной оценки значений отдельных характеристик. Исследованы условия существования у исследуемого семейства моделей стационарного режима, исключающего возможность вхождения системы в режим переполнения буфера. Найдены границы интервала изменения интенсивности поступления пакетов данных, при котором существует стационарный режим. Построена схема определения соответствующих границ для моделей мультисервисных сетей связи.

4. На основе реализации принципа декомпозиции разработаны алгоритмы приближенной оценки характеристик пропускной способности мультисервисных сетей связи с дифференцированным обслуживанием потоков сообщений. Показано, что оценку показателей качества обслуживания потоков сообщений реального времени можно вести с помощью модели сети с коммутацией каналов, фиксированной маршрутизацией сообщений и явными потерями заблокированных вызовов. Данная модель обладает мультипликативной формой представления вероятности состояний числа одновременно обслуживаемых сообщений реального времени. Для оценки показателей качества обслуживания пакетов данных построена вспомогательная модель сети с ожиданием и буферами бесконечной емкости, также обладающая мультипликативной формой представления вероятности состояния числа пакетов, находящихся на ожидании и обслуживании на каждом звене сети. Реализация алгоритма в 1000 и более раз ускоряет процесс вычисления характеристик пропускной способности сети при приемлемой для практики ^ точности, которая оценивалась на нескольких контрольных вариантах средствами имитационного моделирования и находится в интервале 10-20%.

5. Проведено аналитическое и численное исследование схем вхождения сети в состояние перегрузки, когда нарушаются условия существования стационарного режима. Указаны границы, достижение и превышение которых при увеличении интенсивности поступления пакетов данных, увеличении потоков сообщений реального времени или уменьшении канального ресурса приводят к неограниченному заполнению буфера и потерям большинства пакетов данных. Проанализированы варианты выхода сети из состояния перегрузки на основе уменьшения интенсивности потока сообщений реального времени, уменьшения интенсивности потока данных, увеличения канального ресурса и даны рекомендации по их реализации.

6. Разработанные в диссертации модели, алгоритмы и программные средства использованы для решения важной для практики задачи оценки величины канального ресурса цифровых линий сети, обеспечивающего заданный уровень качества обслуживания сообщений реального времени (доля потерянных заявок) и пакетов данных (среднее время задержки). Разработана методика решения задачи и сформулирована последовательность шагов, ко

-X торые необходимо выполнить для нахождения решения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Аджемов А.С., Кучерявый А.Е. Сетевые аспекты внедрения услуг интеллектуальной сети // Сб. трудов. М.: - IN' 2000. - 17-19 октября 2000.

2. Башарин Г.П., Бочаров П.П., Коган Я.А. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчета. М.: Наука. - 1989. - 336 с.

3. Башарин Г.П., Харкевич А.Д., Шнепс М.А. Массовое обслуживание в телефонии. М.: Наука. - 1968. - 244 с.

4. Боккер П. ISDN. Цифровая сеть с интеграцией служб. Понятия, методы, системы / Пер. с нем. М.: Радио и связь. 1991. - 304 с.

5. Буассо М., Деманж М., Мюнье Ж. Введение в технологию ATM / Пер. с англ. М.: Радио и связь. 1997. - 128 с.

6. Буренин Н.И., Жигадло В.Э. Телекоммуникационные сети и новые технологии // Электроника. Наука. Технология. Бизнес. 1999. - №1 - С. 26-29.

7. Булгак В.Б. Электрическая связь сегодня и завтра. 100 лет радио. М.: Радио и связь. - 1995.

8. Варакин J1.E. Интеллектуальная сеть как основа интеграции сетей электросвязи. 100 лет радио. М.: Радио и связь. - 1995.

9. Вильк X. Расчет характеристик занятия полосы передачи при совместном обслуживании речевых сообщений и данных на сетях линейнойструктурой // Труды научной конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы", МФИ-2001, 2001. С.46-47.

10. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.: Наука. -1984. - 320 с.

11. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. М.: Наука. - 1968. - 431 с.

12. Голубицкая Е.А., Жигульская Г.М. Экономика связи. М.: Радио и связь. - 1999. - 392 с.

13. Гольдштейн B.C. Сигнализация в сетях связи. М.: Радио и связь. -1997. - 422 с.

14. Жданов А.Г., Рассказов Д.А., Смирнов Д.А., Шипилов М.М. Передача речи по сетям с коммутацией пакетов (IP-телефония). -Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций. Санкт-Петербург. 2001. - 148 с.

15. Ершов В.А, Кузнецов Н.А. Теоретические основы построения цифровой сети с интеграцией служб (ISDN) . М.: Институт проблем передачи информации РАН. - 1995. - 280 с.

16. Ершов В.А, Кузнецов Н.А. Метод расчёта пропускной способности магистралей мультисервисных телекоммуникационных сетей // Труды Международной академии связи. 1999. - Я91. - С.22-24.

17. Ершов В.А., Ершова Э.Б., Ковалев В.В. Метод расчета пропускной способности звена Ш-ЦСИС с технологией ATM при мультисервисном обслуживании //Электросвязь. 2000. - №3. - С.20-23.

18. Ершов В.А., Ершова Э.Б., Щека А.Ю. Метод оценки качества обслуживания на мультисервисной сети с учетом числа пользователей услуг // Электросвязь. 2001.- №8. - С. 5-8.

19. Ефимушкин В., Дедовских Т. Коммутация в сетях ATM // Сети. 2000. - Ш. - С.21-23.

20. Заркевич Е.А., Устинов С.А. Скляров O.K. Новые фотонные технологии для развития широкополосных коммуникационных сетей //Электросвязь. 2002. - №7. - С.25-28.

21. Зарубин А.А. Эволюция биллинга IP-сети //Электросвязь. 2002. - №4. - С. 18-23.

22. Захаров Г.П. Методы исследования сетей передачи данных. М.: Радио и связь. - 1982. - 208 с.

23. Захаров Г.П., Варакосин Н.П. Расчет количества каналов связи при обслуживании с ожиданием. Номограммы и таблицы. М.: Связь. -1967. - 304 с.

24. Ивченко Г.И., Каштанов В.А., Коваленко И.Н. Теория массового обслуживания. М.: Высшая школа. - 1982. - 256 с.

25. Ионин Г. Л., Седол Я.Я. Статистическое моделирование систем телетрафика. М.: Радио и связь. - 1982. - 182 с.

26. Клейнрок JL Теория массового обслуживания / Пер. с англ. М.: Ма-шинстроение. - 1979. - 432 с.

27. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями / Пер. с англ. М.: Мир. - 1979. - 600 с.

28. Клещёв Н.Т., Федулов А.А., Симонов В.М. и др. Телекоммуникации. Мир и Россия. Состояние и тенденции развития / Под ред. Клегцё-ва Н.Т. М.: Радио и связь. - 1999. - 480 с.

29. Коган А.В. IP-телефония как наиболее перспективный метод передачи информации //Электросвязь. 2000. - №10. - С.3-6.

30. Корнышев Ю.Н., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика. М.: Радио и связь. - 1996. - 270 с.

31. Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВВС Росиии. М.: Минсвязи РФ. - 2001. - 32 с.

32. Костров В.О. Особенности моделирования технологии разделения типов трафика в мультисервисных сетях MPLS // Труды 57-ой Научной сессии, посвященной дню радио. Россия. Москва. 15-16 мая 2002. -С.195.

33. Костров В.О. Использование цифровой сети общего пользования МГТС для развития современных услуг связи / / Труды Международного форума информатизации (МФИ-2002). Москва. 2002. - С.29.

34. Костров В.О. Сеть передачи данных общего пользования — основа развития современных услуг связи // Труды Международного форума информатизации (МФИ-2002). Москва. 2002. - С.27-28.

35. Костров В.О.Анализ схем образования "узких мест" на мультисервисных пакетных сетях // Труды Всероссийской конференции "Сети связи следующего поколения" Санкт-Петербург. 2003. - С.123-128.

36. Костров В.О., Степанов С.Н. Моделирование процесса перегрузки на мультисервисных пакетных сетях // Труды Всероссийской конференции "Сети связи следующего поколения" Санкт-Петербург. 2003. -С.36-41.

37. Кудрявцев Г.Г., Варакин JLE. Экономические аспекты развития телефонных сетей // Электросвязь. 1990. - №1. - С.2-7.

38. Кучерявый А.Е. Методы оценки качества вызовов АТС // Труды Международной академии связи. 1998.- №4. - С.17-18.

39. Кучерявый А.Е., Нестеренко В.Д., Парамонов А.И. Стратегия развития сетей на основе новых технологий //Электросвязь. 2001.- №1. - С. 2527.

40. Кучерявый А.Е., Кучерявый Е.А., Харью А. Особенности структуры сети с коммутацией пакетов и гарантированным качеством обслуживания абонентов // Сб. трудов. М.: IN' 2000. - 17-19 октября 2000.

41. Кучерявый А.Е., Гильченко JL3. Принципы модернизации телефонной сети общего пользования //Электросвязь. 2002. - №2. - С.28-31.

42. Кучерявый А.Е., Пяттаев В.О., Моисеев С.М. Технология ATM на российских сетях связи. М.: Радио и связь. - 2002. - 312 с.

43. Лагутин B.C. Цифровая сеть общего пользования // Электросвязь. -1995. №6. - С.7-9.

44. Лагутин B.C. Влияние тарифной политики на развитие МГТС и услуги АО МГТС // Труды Международной академии связи. 1998. - №10. -С.7-10.

45. Лагутин B.C. Анализ эффективности совместного обслуживания новых информационных потоков на ГТС большой ёмкости // Электросвязь. 1999. - №3. - С.28-30.

46. Лагутин B.C. Инженерные методы оценки эффективности совместного обслуживания новых информационных потоков на ГТС большой ёмкости // Электросвязь. 1999. - №4. - С.29-30.

47. Лагутин B.C. Оценка характеристик совместной передачи речевых сообщений и данных цифровыми каналами широкополосных сетей связи // Автоматика и телемеханика. 1999. - № 11. - С.30-39.

48. Лагутин B.C. Сети связи: проблемы эффективности использования ресурсов цифровых линий. М.: Радио и связь. - 1999. - 229 с.

49. Лагутин B.C. Алгоритмы оценки эффективности совместной передачи речевых сообщений и данных цифровыми каналами широкополосных сетей связи // Автоматика и телемеханика. 1999. - № 12. - С.89-99.

50. Лагутин B.C., Костров В.О. Формализованное представление процесса занятия полосы передачи в мультисервисных пакетных сетях, рассматриваемых на уровне соединения // Электросвязь. 2003. - №1. -С.31-34.

51. Лагутин B.C., Костров В.О. Оценка характеристик пропускной способности мультисервисных пакетных сетей при реализации технологии разделения типов нагрузки // Электросвязь. 2003. - №3. - С.28-32.

52. Лагутин B.C., Костров В.О., Степанов С.Н. Повышение эффективности использования цифровых линий на сетях связи // Аналитический и информационный журнал "Документальная Электросвязь". №6. -2001. - С.7-14.

53. Лагутин B.C., Попова А.Г. Особенности моделирования совместной передачи речи и данных с использованием накопителя // Труды Международного семинара "Исследование систем и сетей массового обслуживания". Минск, 1998. - С. 205-209.

54. Лагутин B.C., Степанов С.Н. Телетрафик мультисервисных сетей связи.- М.: Радио и связь. 2000. - 320 с.

55. Лагутин B.C., Попова А.Г., Степанова И.В. Цифровые иерархии: пле-зиохронная и синхронная. М.: Информсвязь. - 1996. - 30 с.

56. Лазарев В.Г. Интеллектуальные цифровые сети: Справочник. М.: Финансы и статистика. - 1996. - 224 с.

57. Линец Г.И., Фомин Л.А. Учет влияния спектральных свойств трафика на параметры сети с технологией ATM // Электросвязь. 2001. - №11.- С.24-27.

58. Лившиц Б.С., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика.- М.: Связь. 1979. - 223 с.

59. Лившиц Б.С., Фидлин Я.В., Харкевич А.Д. Теория телефонных и телеграфных сообщений. М.: Связь. - 1971. - 304 с.

60. Логинов Н.А., Осипов В.Г. Оценка качества телефонной связи в IP-сетях // Труды Международной академии связи. 2000. - №1(13). - С. 18-21.

61. Мартин Д., Чапмен К.К., Либен Д. ASYNCHRONOUS TRANSPHER MODE // Архитектура и реализация ATM. М.ЛОРИ. - 2000. - 214 с.

62. Мельков В.П., Беляков В.Ю. Мультисервисная информационно-транспортная сеть //Электросвязь. 2001. - №4. - С.44-45.

63. Мизин И.А., Богатырев В.А., Кулешов А.П. Сети коммутации пакетов.- М.:Радио и связь. 1986.

64. Мишенков Л.С. Инфокоммуникации XXI века //Электросвязь. 2001.- Ш. С.5-7.

65. Мошак Н.Н. Анализ логической структуры транспортной сети ATM // Электросвязь. 2001. - №9. - С. 40-44.

66. Мошак Н.Н. Анализ программной структуры транспортной сети ATM. Часть 1. "Уровень адаптации ATM //Электросвязь. 2002. - №7. - С.20-24.

67. Мошак Н.Н. Анализ программной структуры сети ATM. Часть 11. Уровень ATM //Электросвязь. 2002. - №8. - С.29-33.

68. Назаров А.Н., Симонов Н.В. ATM технология высокоскоростных сетей.- М.: ЭКО-ТРЕНДЗ. 1998. - 235 с.

69. Нейман В.И. Самоподобные процессы и их применение в теории телетрафика // Труды Международной академии связи. 1999. - К2 3. -С.11-15.

70. Нейман В.И. Новое поколение систем коммутации // Электросвязь.-2001. №1. - С. 21-24.

71. Нетес В.А. Основные принципы синхронной цифровой иерархии // Сети и системы связи. 1996. - №6. - С.58-62.

72. Рабовский С.В. Тарифы: проблемы и решения. М.: Коминфо Консалтинг. - 1998. - 160 с.

73. Росляков А.В., Самсонов М.Ю. Модели и методы оценки качества услуг IP-телефонии //Электросвязь. 2002. - №1. - С. 15-18.

74. Росляков А.В., Самсонов М.Ю., Шибаева И.В. IP-телефония. М.: Эко-Трендз. - 2001. - 250 с.

75. Саморезов В.В. Организация услуг IP-телефонии поставщиками Интернет-услуг // Электросвязь. 2002. - №2. - С.13-16.

76. Сизов Д., Комаров М. Дифференцированное обслуживание в корпоративных IP-сетях связи: пример реализации // Коннект. 2002. - №5.1. С.74-77.

77. Соглашение форума по мультисервисной коммутации (MSF -ARCH-001.00-FINAL IA 'Multiservice Switching Forum Implementation Agreement"). 2000, May.

78. Соколов Н.А. Эволюция местных телефонных сетей. Пермь: Изд-во ТОО "Типография Книга" - 1994. - 375 с.

79. Шаклеев. Д.В. Перспективы развития мультисервисной сети ФГУП "Космическая связь" //Электросвязь. 2002. - №4. - С.34-37.

80. Шварцман В.О. Технико-экономический анализ IP телефонии //Технологии и средства связи. - 1999. - №3. - С.78-83.

81. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. В 2-х ч. Ч.1./ Пер. с англ.- М.: Наука 1992. - 336 с.

82. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. В 2-х ч. Ч.1. / Пер. с англ. М.:Наука. - 1992. - 272 с.

83. Шнепс М.А. Численные методы теории телетрафика. М.: Связь. -1974. - 232 с.

84. Шнепс М.А. Системы распределения информации. Методы расчета. -М.:Связь. 1979.- 342 с.88. . Шнепс-Шнеппе. М. Гибридные сети: Как их строить // Электросвязь. 2001. - №1. - С.36.

85. Элдин А., Линд Г. Основы теории телетрафика / Пер. с англ.- М.: Связь. 1972. - 199 с.

86. Awduche D.O., Rekhter Y. Multiprotocol lambda switching: combining MPLS traffic engineering control with optical crossconnects // IEEE Communications Magazine. 2001. - March.

87. Awduche D.O., Jabbari B. Internet traffic engineering using multi-protocol label switching (MPLS) // Computer Networks. 2002. - V.40. - P. 111129.

88. Andrikopoulous Ilias, Pavlou George. Experiments and Enhancements for IP and ATM Integration: The Ith ACI Project // IEEE Communications Magazine. 2001. - V.39. - №5. - P. 146-155.

89. Autenrieth Achim, Kirstadter Andreas. Engineering End-to-End IP Resilience Using Resilience Differentiated QoS // IEEE Communications Magazine. - 2002. - V.40. - №1. - P. 50-57.

90. Bergmark Donna, Keshav S. Building Block for IP Telephony // IEEE Communications Magazine. 2000. - V. 38. - №4. - P. 88-94.

91. Broadband network traffic. Performance evaluation and design of broadband multiservice networks. Final report of action COST 242 / James Roberts . (ed). (Lecture notes in computer sciences). Springer. - 1996. - 585 p.

92. Cabrera Rocio, Cuevas Maria, Jones Matthew. Service Creation in Multimedia IP Networks // The Journal of the Institution of British Telecommunications Engineers. 2001. - V. 2. - Part 2. - April-June. -P. 41-47.

93. Caceres Ramon, Defield Nick, Feldmann Anja. Measurement and Analysis of IP Network Usage and Behavior // IEEE Communications Magazine. -2000. P.144-151.

94. Cell delay variation in ATM networks. Interim report of action COST 242 / Annie Gravey, Soren Blaabjerg (ed).- December, 1994. 100 p.

95. Chuah M., Nagarajan R. Traffic shaping for frame relay and IP packets in an enterprise switch // Proc. 15th International Teletraffic Congress. -Washington. USA. 1997. - P.71-80.

96. Chunsheng Xin, Chunming Qiao. On IP Centric Optical Control Plane // IEEE Communications Magazine. - 2001. - V.39. - №9. -P. 88-93.

97. De Serres Yves, Hegarty Lawrence. Value- Added Services in the Converged Network // IEEE Communications Magazine. 2001. - V.39. - №9. - P. 146-154.

98. Gallaher R. MPLS Traffic engineering. Tutorials. http://www.convergedigest.com/tutorials.

99. Ghani Nasir, Dixit Sudnir. On IP-over-WDM Integration // IEEE Communications Magazine. 2000. - V. 38. - No 3. - P.72-84.

100. Hiroshi S. Teletraffic technologies in ATM networks. Boston/London. Artech House, 1994. 180 p.

101. Holness Felicia, Griffiths John. Multiprotocol Label Switching within the Core Network // British Telecommunications Engineering. 1999. - V.18. - Part 2 - Special August Issue. - P.97-99.

102. Hui J.Y. Resource allocation for broadband networks // IEEE Journal on Selected Areas in Communications.- 1988 V.6.- P.1598-1608.

103. Hunter David K. and Andonovich Ivan. Approaches to Optical Internet Packet Switching // IEEE Communications Magazine. 2000. - V.38.m. P. 116-122.

104. ITU-T Recommendation H.323. Packet based multimedia communication systems. 1998.

105. Iversen V.B. The exact evaluation of multi-service loss system with access control // Teleteknik. 1987. - Vol.31. №.2. - P.56-61.

106. Kaufman J.S. Blocking in a shared resource environment // IEEE Transactions on Communications. 1981. - V.29 - №.10. - P.1474-1481.

107. Kawamura Ryutaro, Stadler Rolf. Active Distributed Management for IP Networks // IEEE Communications Magazine. 2000. - V.38. - №4. - P. 114 -120.

108. Kelly F.P. Reversibility and stochastic networks. Willy. New York. -1979. - 230 p.

109. Kelly F.P. Blocking probabilities in large circuit-switched networks // Adv. Appl. Prob. 1986. - V.18. - P.473-505.

110. Kelly F.P. Tariffs and effective bandwidths in multiservice networks // Proc. 14th International TeletrafHc Congress. Antibes Juan-les-Pins. France. - 1994. - P.771-780.

111. Kelly F.P. Charging and accounting for bursty connections / Internet economics. Bailey J., McKnight L. (ed). MIT Press, 1996. - P.253-278.

112. Kelly F.P. Cost based charging principles in ATM networks // Proc. 15th International Teletraffic Congress. Washington. - 1997. - P.781-790.

113. Kemos Achilleas. Economic Prospects of Advanced Telecommunications Services // The Journal of the Institution of British Telecommunications Engineers. 2001. - V. 2. - Part 3. - October-December.

114. Konei Shiomoto, Masanori Uga, Massaki Omotani. Scalable Multi- QoS IP+ATM Switch Router Architecture // IEEE Communications Magazine. 2000. - V.38. - №12. - P.86-92.

115. Kostrov V.O. Modelling of networks based on MPLS technology and considered on connection level // Pr. of the International conference1.formational Systems and Technologies(IST'2002)". Minsk. November 5-8. - 2002,- P.293-297.

116. Kostrov V.O. Performance measures estimation of networks based on MPLS technology and considered on connection level // Pr. of the International conference "Informational Systems and Technologies(IST'2002)". Minsk. November 5-8. - 2002.- P.298-301.

117. Kuehn P.J. Reminder on queueing theory for ATM networks // Telecommunication Systems. 1996 - №5.- P.l-24.

118. Lagutin V.S. Performance analysis of hybrid traffic system mixing preemptive wideband and waitable narrowband calls // Proc. 3rd IFIP Workshop "The Management and Design of the ATM Networks". London. England. - 1999,- P. 141-154.

119. Linderberger K. Analytical models for the traffical problems with statistical multiplexing in ATM Networks // Proc. 13th International Teletraffic Congress. Copenhagen. Denmark. - 1991. - P.807-813.

120. Linderberger K. Dimensioning and design methods for integrated ATM networks // Proc. 14th International Teletraffic Congress. Antibes Juan-les-Pins. France - 1994. - P.897-906.

121. Ormerod Mike, Saunders Mick. IP QoS Frameworks and mediation: The Building Block of the Future for Driving Business in the IP World / / The Journal of the Institution of British Telecommunications Engineers. 2001.- V.2. Part 4. - October-December.

122. Performance evaluation and design of multiservice networks. Final report of action 224 / J.W.Roberts, (ed.), Performance evaluation and design of multiservice networks. -Paris, October. 1991. - 125 p.

123. Rayes Ammar, Sage Karen. Integrated Management Architecture for IP-based Networks // IEEE Communications Magazine. 2000. - V.38. - №4.- P. 48-53.

124. Pazor Carlos M., Kotelba Marek R. Real -Time Multimedia over ATM: RMOA // IEEE Communications Magazine. 2000. - V.38. - №4. - P. 82-87.

125. Reinenger D.J., Raychaudhuru D., Hui J.Y. Bandwidth renegotiation for VBR video over ATM networks // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 1996. - V. 14. -№.6.

126. Roberts J.W. Traffic Theory and the Internet // IEEE Communications Magazine. 2001. - P. 94-99.

127. Ross K.W. Multiservice loss models for broadband telecommunication networks. London. Springer. - 1995. - 343 p.

128. Ross K., Chung S. Reduced load approximations for multirate loss networks service // IEEE Transactions on Communications. 1993. - V. 41. -№.8. - P.1222-1231.

129. Sincoskie W. David. Broadband Packet Switching: A Personal Perspective // IEEE Communications Magazine. 2002. - V.40. - №7. - P. 54-66.

130. Soumiya Т., Nakamichi К. The large capacity ATM backbone switch "FETEX-150 ESP" // Computer Networks. 1999. - №31. - P. 603-605.

131. Trimintzios Panos, Andrikopoulos Ilias. A Management and Control Architecture for Providing IP Differentiated Services in MPLS-Based Networks // IEEE Communications Magazine. 2001. - V.39. - №5. -P. 80-87.

132. Ye Yinghua, Assi Chadi, Ali Mohamed A. A Simple Dynamic Integrated Provisioning Protection Scheme in IP over WDM Network // IEEE Communications Magazine. 2001. - V.39. - №5. - P. 174 -181.