автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Система информационного взаимодействия на железнодорожном транспорте с применением IP-телефонии

Обозначения и сокращения.

Введение.

1 Состояние, уровень и тенденции развития технологических систем информационного взаимодействия на железнодорожном транспорте.

1.1 Общие принципы построения.

1.2 Первичная сеть технологического сегмента.

1.3 Сеть оперативно-технологической связи.

1.4 Сеть общетехнологической телефонной связи.

1.5 Сеть передачи данных.

1.6 Постановка задачи.

2 Анализ качества обслуживания в системах IP-телефонии.

2.1 Постановка задачи на исследование в главе.

2.2 Качество обслуживания в системе IP-телефонии и методы его контроля.

2.3 Анализ задержки в системе IP-телефонии.

2.4 Методика расчета задержки и вероятности потерь речевых пакетов в узлах IP-сети в зависимости от качества передачи речи.

2.5 Выводы.

3 Исследование математических моделей для расчета пропускной способности каналов IP-сети.

3.1 Постановка задачи на исследование в главе.

3.2 Анализ методов управления ресурсами IP-сети.

3.3 Расчет параметров узла IP-сети с использование простейших моделей СМО.

3.4 Вариант расчета пропускной способности каналов в системе IP-телефонии.

3.5 Выводы.

4 Экспериментальные исследования качества обслуживания речевого трафика в узлах IP-сети.

4.1 Постановка задачи на проведение эксперимента.

4.2 Разработка стенда и программы и методики испытаний.

4.3 Анализ результатов стендовых испытаний.

4.4 Сравнение полученных результатов с теоретическими исследованиями.

4.5 Выводы.

5 Анализ вариантов применения технологии IP-телефонии на железнодорожном транспорте.

5.1 Постановка задачи.

5.2 Разработка перспективной архитектуры единой системы информационного взаимодействия на железнодорожном транспорте.

5.3 Варианты применения технологии IP-телефонии.

5.4 Технико-экономический анализ применения технологии IP-телефонии на железнодорожном транспорте.

5.5 Выводы.

На сегодняшний день информатизация и связь являются одной из наиболее перспективных и динамично развивающихся инфраструктурных отраслей России. Роль информатизации особенно возрастает в условиях развивающихся процессов глобализации мировой экономики и создания информационного общества.

МПС России активно поддерживает идею создания единой информационной системы всего транспортного комплекса страны. Без внедрения современных технологий на железнодорожном транспорте невозможно осуществить успешное реформирование железнодорожной отрасли. Сегодня стратегия информатизации 9

МПС предусматривает несколько направлений развития: развертывание магистральной сети связи, создание на ее базе цифровой системы оперативно-технической связи и построение единой инфраструктуры вычислительных центров МПС по всей стране.

Мировые тенденции развития современных инфокоммуникаций основаны на переходе от моносервисных узкополосных сетей с коммутацией каналов к интегральным широкополосным сетям на базе технологии коммутации пакетов. Это связано в первую очередь с потребностями информационного общества в мультисервисных услугах и быстрым развитием высокоскоростных технологий.

По мере внедрения волоконно-оптических систем передачи стоимость пропускной способности цифровых каналов стремительно снижается. Но вмести с тем, возрастает объем передаваемой информации в виде данных, речи, видеоизображения и их комбинации в виде мультимедийных сообщений. А, следовательно, по-прежнему остается актуальным вопрос эффективного использования ресурсов сети.

Бурное развитие цифровой техники позволило осуществить интегрированную передачу различного рода информации (данных, речь, видеоизображение) по сетям с коммутацией пакетов. Технология коммутации пакетов обладает рядом преимуществ перед технологией коммутации каналов:

- эффективное использование пропускной способности каналов за счет статистического уплотнения передаваемой информации;

- использование единой инфраструктуры для интегрированной передачи данных, речи, видеоизображения, что обеспечивает снижение эксплуатационных расходов;

- возможность развертывания новых видов услуг без модернизации существующей инфраструктуры мультисервисной сети.

На железнодорожном транспорте России функционирует множество систем информационного взаимодействия различного назначения, архитектуры, аппаратурного исполнения, физически и морально изношенных, которые используют различные линии передачи (воздушные, кабельные, волоконно-оптические, радиорелейные, космические). В рамках проводимой программы информатизации осуществляется модернизация всех видов технологических систем информационного взаимодействия и переход от аналоговых к цифровым системам с коммутацией каналов.

Актуальной задачей в сложившейся ситуации является рассмотрение вариантов объединения всех систем в единую систему информационного взаимодействия на базе цифровых систем с использованием технологии коммутации пакетов. На сегодняшний день наиболее широко распространены три типа сетей с коммутацией пакетов: ATM (Asynchronous Transfer Mode - асинхронный режим передачи), FR (Frame Relay - ретрансляция кадров) и IP (Internet Protocol - Интернет протокол). Данные сети обеспечивают интегрированную передачу данных, речи и видеоизображения по средствам следующих технологий: голос поверх ATM (Voice over ATM - VoATM), голос поверх Frame Relay (Voice over FR - VoFR), голос поверх IP (Voice over IP — VoIP). Согласно концепции развития цифровой сети связи МПС [1] и системному проекту [2] сеть передачи данных общетехнологического назначения строится на базе Интернет протокола (Internet protocol - IP). Поэтому для организации технологической телефонной связи в дальнейшем будет рассматриваться технология VoIP, которую еще называют IP-телефония или Интернет телефония.

Под IP-телефонией будем понимать технологию передачи речевой информации в режиме реального времени с заданным качеством между двумя или более абонентами через сеть с протоколом IP (IP-сеть) совместно с мультимедийными сообщениями, а также обмен служебной информацией, необходимой для организации этой передачи. Систему информационного взаимодействия, которая использует технологию IP-телефонии, будем называть системой 1Р-телефонии.

Однако изначально протокол IP был ориентирован на передачу данных без установления соединения и гарантии доставки сообщений. Поэтому в IP-сетях существует ряд нерешенных проблем, связанных с обеспечением высокого качества обслуживания мультисервисного трафика различных приложений, работающих в режиме реального времени. В первую очередь это относится к приложениям передачи речи.

В последнее время вопросу качества передачи речи по сетям с коммутацией пакетов в научной литературе уделяется достаточно много внимания в России и за рубежом [3-6]. Проведены исследования характеристик трафика [7, 8] и предложен ряд моделей расчета пропускной способности IP-сетей для различных видов трафика [9-13]. Но представленные модели слабо учитывают статистические характеристики потока речевых пакетов. Среди них отсутствуют простые модели, позволяющие оценить граничные значения требуемой пропускной способности каналов в зависимости от качества передачи речи из конца в конец.

В настоящей работе представлены:

- анализ состояния, уровня и тенденций развития технологических систем информационного взаимодействия на железнодорожном транспорте;

- исследование методов обеспечения качества обслуживания в системе IP-телефонии, определение критериев оценки и основных требований к качеству передачи речи в сети с коммутацией пакетов;

- экспериментальные исследования обеспечения качества обслуживания речевых пакетов в узлах IP-сети;

- разработка перспективной архитектуры единой системы информационного взаимодействия и анализ основных вариантов применения технологии IP-телефонии на железнодорожном транспорте.

Автору не известны научные работы, в которых отражены рассматриваемые вопросы в таком объеме применительно к железнодорожному транспорту.

5.5 Выводы

В настоящей главе:

1. Разработана перспективная архитектура единой системы информационного взаимодействия на базе мультисервисной IP-сети с применением технологии IP-телефонии. Данная архитектура отвечает современным принципам построения корпоративных сетей и обладает большей универсальностью по сравнению с существующей архитектурой технологического сегмента.

2. Проведен анализ вариантов применения технологии IP-телефонии на железнодорожном транспорте. Предложенные технические решения обладают рядом преимуществ перед традиционными системами с коммутацией каналов. Однако необходимым условием внедрения технологии IP-телефонии является способность IP-сети поддерживать передачу разнородного трафика с заданным качеством обслуживания.

3. Проведен технико-экономический анализ применения технологии IP-телефонии на железнодорожном транспорте, который показал, что экономический эффект от внедрения данной технологии на малых железнодорожных станциях составит не менее 16,1 млн. дол. США (65,7% от стоимости решения на базе традиционных систем с коммутацией каналов).

Заключение

Проведенные в работе исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Проведенный анализ технологических систем информационного взаимодействия на железнодорожном транспорте показал, что данные системы не полностью удовлетворяют современным требованиям построения телекоммуникационных сетей. Замена морально и физически устаревшего оборудования на цифровые системы с коммутацией каналов производится без учета мультисервисности внедряемых приложений. Строятся и развиваются несколько параллельных систем, одинаковых по функциональному назначению и предназначенных для обслуживания различных классов абонентов. Такое положение приводит к увеличению эксплуатационных затрат и к неэффективному использованию ресурсов систем, затрудняет организацию взаимодействия между абонентами и накладывает ограничения на внедрение новых видов услуг.

2. Впервые предложена методика расчета объективных параметров качества обслуживания речевых пакетов в узлах IP-сети (задержки и вероятности потерь) в зависимости от класса качества обслуживания в системе IP-телефонии железнодорожного транспорта. Методика учитывает топологию сети, тип используемых речевых кодеков, длину пакетов и другие факторы. Предложенная методика может использоваться при расчете требований к качеству обслуживания речевых пакетов в узлах мультисервисной сети.

3. Уточнена и расширена аналитическая модель расчета выделенной пропускной способности каналов мультисервисной сети в зависимости от числа речевых соединений и качества обслуживания в системе 1Р-телефонии. Предложенная модель учитывает статистические характеристики потока речевых пакетов. Построены графики и представлены численные значения требуемой пропускной способности каналов для различных речевых кодеков, видов распределений скорости речевого потока и числа соединений. Данная аналитическая модель может использоваться при проектировании системы IP-телефонии на железнодорожном транспорте.

4. Разработан испытательный стенд и проведены стендовые испытания маршрутизаторов Cisco 2621 на предмет качества обслуживания речевого трафика.

Экспериментальные измерения подтвердили результаты аналитических исследований. Разработанный стенд позволяет проводить экспериментальные исследования различных характеристик качества обслуживания мультисервисного трафика в узлах IP-сети.

5. Предложена перспективная архитектура единой системы информационного взаимодействия железнодорожного транспорта на базе мультисервисной IP-сети с использованием технологии IP-телефонии. Представленная архитектура удовлетворяет современным требованиям к построению корпоративных сетей и позволяет внедрять новые услуги без капитальных затрат на модернизацию инфраструктуры. В то же время, в предлагаемой архитектуре сохранены существующие принципы организации некоторых видов связи, которые непосредственно отвечают за безопасность движения.

6. По ряду причин повсеместный переход от устаревшей технологии к перспективным средствам связи невозможен. Поэтому рассмотрены варианты применения технологии IP-телефонии, которые позволят постепенно перейти от существующих систем с коммутацией каналов к мультисервисной сети с коммутацией пакетов.

Научная новизна настоящей работы определяется:

- разработкой методики расчета задержки и вероятности потерь речевых пакетов в узлах IP-сети в зависимости от прогнозируемой субъективной оценки качества передачи речи в системах 1Р-телефонии;

- усовершенствованием аналитической модели расчета выделенной пропускной способности телекоммуникационных систем с коммутацией пакетов для речевого трафика.

Практическая значимость представленной работы заключается в разработке перспективной архитектуры единой системы информационного взаимодействия на базе мультисервисной IP-сети с использованием технологии IP-телефонии применительно к железнодорожному транспорту. Разработан испытательный стенд для определения характеристик качества обслуживания речевых пакетов в узлах коммутации IP-сети.

1. Концепция создания цифровой сети связи МПС. — Министерство путей сообщения РФ, 1997.

2. Сеть связи железнодорожного транспорта Российской федерации. Системный проект. Министерство путей сообщения РФ, 2000.

3. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Чан Т. А. Качество управления речевым трафиком в телекоммуникационных сетях. — М.: Радио и связь, 2001. — 112 с.

4. Жданов А. Г., Рассказов Д. А., Смирнов Д. А. и др. Передача речи по сетям с коммутацией пакетов (IP-телефония): Под ред. Бабкова В. Ю. , Вознюка М. А. -СПб: СПбГУТ, 2001.-148 с.

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

6. Вегешна III. Качество обслуживания в сетях IP. М: «Вильяме», 2003 г. -368 с.

7. Rozalen F.R. User Traffic Characterization of Internet services // COST 257. -2000.-27 p.

8. Vicari N., Koehler S. Measuring Internet User Traffic Behavior Dependent on Access Speed // COST 257. Report No.: 238, 1999. - 9 p.

9. Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями: Пер. с англ. / Под ред. Б.С. Цыбакова. М.: «Мир», 1979. - 600 с.

10. Ромашкова О.Н. Обработка пакетной нагрузки информационных сетей. -М.: МИИТ, 2001. — 196 с.

11. Charzinski J. Fun Factor Dimensioning for Elastic Traffic // COST 257. 2000.12 p.

12. Chuah C.N., Katz R.H. Network provisioning and management for IP telephony // University of California at Berkeley. 1996. - 22 p.

13. Determining the number of packet-based phones that can be supported by one access node / Vleeschauwer D., Moffaert A., Janssen J. and others // Specialist Seminar on Access Networks and Systems (ITC 14). Girona. - 2001. - 25-27 April. - P. 197-204.

14. Блиндер И.Д., Васильев O.K., Левин B.A. Концепция построения технологического сегмента цифровой сети связи железнодорожного транспорта //

15. Информационные технологии на железнодорожном транспорте: Сборник докладов шестой международной научно-практической конференции «Инфотранс-2001». — Ростов н/Д, 2001.- С. 27-31.

16. Построение технологического сегмента цифровой сети железнодорожной связи / O.K. Васильев, И.Д. Блиндер, В.А. Левин и др. // Автоматика, связь, информатика. 2002. - № 3. - С. 2-6.

17. Вериго A.M., Васильев O.K., Левин В.А. Основные положения развития цифровых сетей связи технологического сегмента // ВКСС. Connect! 2002. — № 6. -С. 19-23.

18. Нормы технологического проектирования цифровых телекоммуникационных сетей на федеральном железнодорожном транспорте (НТП-ЦТКС-ФЖТ-2002). Министерство путей сообщения Российской Федерации. — М.: «ТРАНСИЗДАТ», 2002. 236 с.

19. Руководящий технический материал по построению первичной сети технологического сегмента (РТМ 32 ЦИС 10.12-2002). Утвержденный Департаментом информатизации и связи МПС РФ 18.11.2002 г. ВНИИУП МПС России, 2002.-115 с.

20. Блиндер И.Д. Роль оперативно-технологической связи в информационной среде перевозочного процесса // Тезисы доклада научно-технического совещания МПС «Информатизация и связь». Москва, 2003. - 8 с.

21. Руководящий технический материал по проектированию цифровой сети ОбТС дорожного уровня (РТМ 2 ОбТС - 2002). Утвержденная Департаментом информатизации и связи МПС РФ 20.12.2002.- ВНИИУП МПС России, 2002. - 115 с.

22. ETSI TR 101 329-1 V3.1.2 (01/2002). Telecommunications and Internet Protocol Harmonization Over Networks (TIPHON) Release 3; End-to-end Quality of Service in TIPHON systems; Part 1: General aspects of Quality of Service (QoS).

23. ITU-T Recommendation E.600 (03/1993). Terms and definitions of traffic engineering.

24. ITU-T Recommendation E.721 (05/1999). Network grade of service parameters and target values for circuit-switched services in the evolving ISDN.

25. ETSI TR 101 329-7 V2.1.1 (02/2002). Telecommunications and Internet Protocol Harmonization Over Networks (TIPHON) Release 3; End to End Quality of Service in

26. TIPHON Systems; Part 7: Design guide for elements of a TIPHON connection from an end-to-end speech transmission performance point of view.

27. ГОСТ P 51061-97. Системы низкоскоростной передачи речи по цифровым каналам. Параметры качества речи и методы измерений.

28. ГОСТ Р 50840-95. Передача речи по трактам связи. Методы оценки качеств, разборчивости и узнаваемости.

29. ITU-T Recommendation Р.861 (02/1998). Objective quality measurement of telephone-band (300 3 400 Hz) speech codecs.

30. ITU-T Recommendation P.862 (02/1998). Perceptual evaluation of speech quality (PESQ), an objective method for end-to-end speech quality assessment of narrowband telephone networks and speech codecs.

31. ETSI TIPHON 17TD135. Rapporteur of ITU-T Recommendation Q.13/12.

32. ITU-T Recommendation G.107 (07/2002). The E-Model, a computational model for use in transmission planning.

33. ETSI ETR 250 (07/1996). Transmission and Multiplexing (TM); Speech communication quality from mouth to ear for 3,1 kHz handset telephony across networks.

34. ETSI TS 101 329-2 V2.1.3 (01/2002). Telecommunications and Internet Protocol Harmonisation over Networks (TIPHON); End to End Quality of Service in TIPHON system; Definition Quality of Service (QoS) Classes.

35. ITU-T Recommendation G.711 (11/1988). Pulse code modulation (PCM) of voice frequencies.

36. ETSI EN 300 726 V8.0.1 (11/2000). Digital cellular telecommunications system (Phase 24-) (GSM); Enhanced Full Rate (EFR) speech transcoding (GSM 06.60 version 7.0.2 Release 1998).

37. ITU-T Recommendation G.726 (12/1990). 40, 32, 24, 16 kbit/s Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM).

38. ETSI EN 300 961 V8.1.1 (11/2000). Digital cellular telecommunications system (Phase 24-) (GSM); Full rate speech; Transcoding (GSM 06.10 version 7.0.2 Release 1998).

39. ETSI EN 300 961 V8.1.1 (11/2000). Digital cellular telecommunications system (Phase 2+) (GSM); Full rate speech; Transcoding (GSM 06.10 version 7.0.2 Release 1998).

40. ITU-T Recommendation G.l 14 (05/2000). One-way transmission time.

41. ETSI ETR 275 (04/1996). Transmission and Multiplexing (TM); Considerations on transmission delay and transmission delay values for components on connections supporting speech communication over evolving digital networks.

42. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. 3-е изд., перераб. - М.: Эко-Трендз, 2000. - 239 с.

43. Кунегин С.В. Анализ возможности использования алгоритмов пакетной передачи речи в сетях передачи данных IP и Frame Relay // http://kunegin.narod.ru/reCdip/index.htm.-MocKBa, 1999.

44. ITU-T Recommendation G.113 Appendix I (05/2002): «Provisional planning values for the equipment impairment factor Ie and packet-loss robustness factor Bpl Transmission impairments».

45. ITU-T Recommendation G.723.1 (03/1996). Dual rate speech coder for multimedia communications transmitting at 5,3 and 6,3 kbit/s.

46. ITU-T Recommendation G.729 Annex A (11/1996). Reduced complexity 8 kbit/s CS-ACELP speech codec.

47. Фомин А.Ф. Оценка параметров сетей IP-телефонии // Информационные технологии. 2003. - №2. - С. 22-33.

48. Кульгин М.В. Теория очередей и расчет параметров сети // Byte. — 1999. — №11.-С. 26-33.

49. Колосков М. Как поставить диагноз своей сети. Самоучитель по Теории очередей для сетевых администраторов // Сети и системы связи online. — 2000.

50. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Новые технологии и оборудование IP-сетей. — СПб.: БВХ-Петербург, 2001.-512 с.

51. Василенко Э. Механизмы качества обслуживания (QoS) // Материалы конференции CiscoExpo'2002. Москва, 2002. - http://my.cisco.ru.

52. Нейман В.И., Ромашкова О.Н. Управление нагрузкой сети Интернет // ВКСС. Connect! 2002. - № 4. - С. 61 -74.

53. Дымарский Я.С., Крутикова Н.П., Яновский Г.Г. Управление сетями связи: принципы, протоколы, прикладные задачи. Серия изданий «Связь и бизнес». — М.: ИТЦ «Мобильные коммуникации», 2003. - 384 с.

54. Cisco IOS software releases 12.1 mainline. Congestion Management Overview. — http://www.cisco.com/en/US/products/sw/iosswrel/ps 183 l/productsconfigurationguidec hapter09186a00800c60d6.html#98427.

55. Кульгин M.B. Коммутация и маршрутизация IP/IPX-трафика. M.: КомпьютерПресс, 1998.-320 с.

56. Нейман В.И., Ромашкова О.Н. Современное состояние Интернет-телефонии // ВКСС. Connect! 2003. - № 1. - С. 90-107.

57. Клейнрок JI. Теория массового обслуживания: Пер. с англ. И.И. Грушко/ Под ред. В.И. Неймана. М.: Машиностроение, 1979.-432 с.

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

59. Левин В.А. Анализ качества обслуживания телефонного трафика в IP-сети с применением теории случайных процессов // ВКСС. Connect! 2002. — № 4. - С. 1826.

60. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учеб. для вузов. — 7-е изд. стер. М.: Высш. шк., 2001. - 575 с.

61. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Изд-во "Советское радио", 1969 750 с.

62. ITU-T Recommendation Р.59 (03/93): "Artificial conversation speech".

63. Walker J.O., Hicks J. Evaluating Data Networks for VoIP // http://www.netiq.com -NetlQ Corporation. 14 p.

64. Левин В.А. Стендовые испытания маршрутизаторов Cisco 2621 // Автоматика, связь, информатика. 2002. - № 11. - С. 38-39.

65. ITU-T Recommendation G.703 (11/01). Physical/electrical characteristics of hierarchical digital interfaces.

66. ITU-T Recommendation G.704 (10/98). Synchronous frame structures used at 1544,6312,2048, 8448 and 44 736 kbit/s hierarchical levels.

67. IETF RFC 1889. A Transport Protocol for Real-Time Applications.

68. Стендовые испытания маршрутизаторов Cisco Systems на предмет качества предоставления услуг телефонной связи в СПД МПС: Отчет о НИР/ВНИИУП МПС РФ; в четырех частях. М., 2002.

69. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями: Пер. с англ. / Под ред. Б.С. Цыбакова. М.: «Мир», 1979. - 600 с.

70. Фомин А.Ф., Левин В.А. Мультисервисная сеть связи МПС // Автоматика, связь, информатика.-2001.-№3.-С. 15-19.

71. ITU-T Recommendation Н.323 (11/2000). Packet-based multimedia communications systems.

72. ITU-T Recommendation H.245 (02/2003). Control protocol for multimedia communication.