CC BY
34
УДК 004
© Я. М. Макшанова
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕТЕВОГО ТРАФИКА БУРЯТСКОГО ФИЛИАЛА ОАО «РОСТЕЛЕКОМ»
В данной статье предлагается описание реальной системы организации сети широкополосного доступа БФ ОАО «Ростелеком» при помощи теории графов через понятие гиперсети, которая позволяет более полно отразить элементный состав и структуру связей между элементами. Также в статье приведен анализ статистических данных трафика всего филиала, выводы которого будут использоваться для последующего математического моделирования сети ШПД БФ ОАО «Ростелеком», что позволит оценить производительность сети при росте интенсивности нагрузки.
Ключевые слова: трафика сети, пропускная способность, коэффициент самоподобия, метод абсолютных моментов.
© L. М. Makshanova
A STUDY OF NETWORK TRAFFIC BURYATIA BRANCH ROSTELECOM
This article offers a description of a real system of networking broadband Buryat branch of «Rostelecom» using graph theory through the concept hypernetwork which allows better reflect the elemental composition and structure of the connections between the elements. The article also provides an analysis of the statistics of all traffic branch, the conclusions of which will be used for further mathematical simulation of the broadband access network «Rostelecom», which will evaluate the performance of the network while increasing the intensity of the load.
Keywords: network traffic, bandwidth, rate of self-similarity, absolute method of moments.
Рынок телекоммуникационных услуг характеризуются динамичностью развития, где каждый оператор связи старается удовлетворить потребности пользователей.
Именно потребители определяют политику развития провайдеров. Условно пользователей можно классифицировать как:
^ корпоративный пользователь;
малый бизнес и домашний офис (SOHO); ^ другие операторы связи; частный пользователь.
Удовлетворение всех категорий в принципе и формируют спектр услуг оператора связи. На сегодня наблюдается повышение спроса на ши-
рокополосные услуги связи (видеоконференции, VoD и т.п.). На территории республики Бурятии крупнейшим оператором предоставления телекоммуникационных услуг является БФ ОАО «Ростелеком». И в частности предоставления Интернет-услуг.
Сам Интернет можно представить в виде хаотично соединенных локальных сетей, физически подключенных через NAP (точек доступа) либо посредством межсетевых соединений, по которым и производится обмен трафиком [1]. Условно глобальную сеть можно разделить на зоны (американскую, европейскую, азиатско-тихоокеанскую и т.д), в свою очередь каждая зона разделяется на сегменты, относящиеся к государствам расположенным в ней. Сегмент, описывающий национальную сеть имеет верхний уровень, в который включены федеральные узлы, соединенные между собой магистральными каналами связи, организованными на BOJ1C или спутниковых каналах. Средний уровень - региональные узлы, образующие региональные сети, связанные с федеральными узлами через точки доступа посредством высоко и среднескоростных каналов. Нижний уровень образуют местные узлы, связанные с региональными посредством высоко и среднескоростных каналов. Именно к местным сетям подключают локальные сети предприятий и частных пользователей. В соответствии с данной классификацией на территории государства действуют национальные провайдеры, имеющие собственных представителей в регионах. Последние в свою очередь обеспечивают подключение пользователей к сети Интернет [2].
| | Внешние шлюзы и маршрутизаторы
П Внутренние шлюзы и маршрутизаторы
Данное выше описание сети Интернет можно представить в виде предфрактального графа:
01=(Х1У1), где х, е XI (7=7..... /XI |) - множество вершин соответствующих зонам, а У1=(у1_ ..., V,,,) - множество высокоскоростных каналов, веса которых соответствуют их пропускным способностям. Зонам в соответствие приведем граф Вершины графа обозначают сегменты, описывающие отдельные страны, вес ребер также соответствует
пропускной способности каналов. Заместим каждую вершину хг е XI, (7=7, ..., /XI ¡) графовой моделью зоны Л/, (YI„RI,J, определяемой этой вершиной. Получаем пред фрактальный граф G2=(X2,V2) ранга L=2. Ребра VI в графе G2=(X2,V2) соответствуют высокоскоростным межзональным соединениям. Вершины графа G2=(X2, V2) описывают национальных провайдеров, вес ребер описывает пропускную способность соединений. Для
описания национальных провайдеров элементу х, е Х2 (j II..... /Х2 ¡) в
соответствие приведем граф L2j=(Y2j,R2j). При помощи этой затравки получается предфрактальный граф G3=(X3,V3), имеющий ранг L=3. Ребра V2 в графе G3=(X3,V3) соответствуют мощным высокоскоростным магистральным соединениям, пропускная способность которых описывается
весом ребер. Наконец при помощи затравки LS=(Y3S,R3S), (s /..... 1X3 I)
замещаем вершины xse G3, что позволяет описать рабочие станции, NAP и др. БФ ОАО «Сибирьтелеком». Так мы получили предфрактальный граф С, 4 (Х4, V4). [1] То есть:
G1=(X1,V1) =G2=(X2,V2) =G3=(X3,V3) =G4=(X4,V4) Тогда последовательность отображений
Определяет иерархическую абстрактурную k-гиперсеть. Опишем глобальную сеть через граф:
Internet = (Gl,G2,G3,G4;Lh L2,L3)
Сеть БФ ОАО «Ростелеком» построена по иерархическому типу ВСС РФ, включающей в себя 3 уровня:
1. Системы (службы) электросвязи - комплекс средств, обеспечивающий предоставление пользователям услуг электросвязи.
2. Вторичные сети связи, обеспечивающие транспортировку, коммутацию, распределение сигналов в службах электросвязи.
3. Первичные сети, снабжающие вторичные сети каналами передачи и физическими цепями
В качестве составной части соответствующей службе в архитектуру входит оконечное пользовательское оборудование.
Строится ВСС РФ на оборудовании связи: коммутационном, систем передачи и терминальном оборудовании пользователя. [8]
Операторы связи
¿у
Поставщики оборудования
Рис.2. Архитектура Взаимоувязанной сети связи РФ
Таким образом, математически структуру сети филиала удобно представить как иерархическую гиперсеть: [2]
Ы=(Х, V, А, В, С), где:
X = {%!.....х„} - множество вершин;
V = {VI ..., V,,} - множество ветвей;
А = {а1: ..., а„} - множество ребер 1-го уровня;
В = {..., Ь„} - множество ребер 2-го уровня;
С = {С;, ..., с,,} - множество ребер 3-го уровня.
ЫО=(Х,У) - граф описывающий магистральный уровень. Вершины его соответствуют точкам закупки и продажи трафика (оборудование подключения) региональным провайдером. Ребра описывают высокоскоростные магистральные соединения, пропускную способность которых обозначим соответствующим весом.
1 уровень:
КО — {Х0^Х1,А) _ сеть кабсльной канализации и инженерных сооружений для организации линий связи, где Хг - вершины соответствующие узлам линейных сооружений, колодцам связи ККС, здание, шкафным колодцам, пристанционным колодцам, кабельным вводам в здания, где А - {а1,а2,...,ат } - участки кабельной канализации, траншеи,
коллекторы, опоры ВЛС и др.
2 уровень:
В общем случае 2-ой уровень в гиперсети N состоит из сравнительно независимых графов соответствующих различным вариантам построения САД.
ПСК = (Х] з X'-,, Вк) - первичная сеть электросвязи, где X'' - сетевой узел, РШ, кросс АТС, бокс, муфта, кабельный ящик, НРП, выносной концентратор (далее ВК) и др.;
где В = {bl,b2,...,b }- однородный участок кабельной линии между соответствующими сетевыми узлами. Отображает САД построенную на симметричных медных кабелях (по шкафной системе).
ПСа = (Xt з Х°,В0)~ первичная сеть электросвязи, где Х° - сетевой
узел, РШ, кросс АТС, кросс Мультиплексора, (Маршрутизатора), оптический кросс, бокс, муфта, кабельный ящик, НРП, выносной концентратор (далее ВК) и др.;
где В = \Ь^Ь2,...,ЬП1/ } - однородный участок кабельной линии между соответствующими сетевыми узлами. Отображает САД построенную с использованием оптоволоконных кабелей.
3 уровень:
3-й уровень гиперсети содержит два типа графов, для реализации услуг IP-телефонии и сети передачи данных, на каждом графе два уровня возможной реализации обоих видов сетей.
Г)/^т / V _. лг(кт) /~<т\ лгкт
BLK =(a2di31 ,( ) - вторичная сеть электросвязи, где Л3
вершины соответствующие АТС, РШ, боксу, ВК, где. С = {cl,c2.........сп} - линии связи вторичной сети, включающие в себя неуплотнённые кабельные линии, уплотнённые кабельные линии, а также ка-налообразующую аппаратуру (далее КО А). Отображает сеть IP-телефонии, построенной с использованием симметричных медных кабелей.
ВLa =(a2di31 ,L0)- вторичная сеть электросвязи, где Л3
вершины соответствующие АТС, оптический кросс, РШ, боксу, ВК, где С = {cl, с2.........с„} - линии связи вторичной сети, включающие в себя оптические кабельные линии, КО А. Отображает сеть IP-телефонии, построенную с использованием оптоволоконных кабелей.
ВСдк = (Х2 з Х(ъ кд> ,Сдк) - вторичная сеть электросвязи, где X"' - вершины соответствующие Маршрутизатору / Роутеру (Серверу доступа
xDSL, РШ, боксу) и др., где С = {cl,c2.........с„} - линии связи вторичной
сети, включающие в себя неуплотнённые кабельные линии, уплотнённые кабельные линии, а также каналообразующую аппаратуру (далее КОА) системы xDSL. Отображает сеть передачи данных, построенную с использованием симметричных медных кабелей.
ВС" = (X2Zj вторичная сеть электросвязи, где X"' -
вершины соответствующие Маршрутизатору / Роутеру (Серверу доступа
xDSL , оптический кросс, РШ, боксу), где С = {cl,c2.........с„} - линии
связи вторичной сети, включающие в себя оптические кабельные линии, КОА. Отображает сеть передачи данных, построенную с использованием оптоволоконных кабелей. [7]
Рис.3. Схема включения графов в гиперсеть N.
Как отмечалось выше, политика развития провайдера определяется пользователями, для которых главным критерием является качество услуги. Провайдер заинтересован в обеспечении качественного функционирования сети, которое характеризуется эффективным использованием пропускной способности узла связи. Возможность узла связи обслуживать трафик зависит от таких характеристик как: надежность, качество передачи и имеющиеся ресурсы сети. Качество передачи определяется уровнем воспроизведения сигнала в пункте приема. Ресурсы сети - это средства коммутации, переприема и хранения информации. Под надежностью сети подразумевают готовность, безотказность, ремонтопригодность, техническое обслуживание и ремонт технических средств.
Нами проведен анализ статистики сетевого трафика на внешнем канале филиала за 2014 год. Результаты измерений получены с помощью ПО PHP Network Weathermap v0.95b. Удобство программного обеспечения состоит в том, что измерения трафика проводятся по двум важным характеристикам - скоростью доступа (Мбит/с) и количеству пройденных пакетов (Кпак/с). На верхнем уровне оси ординат откладывается входящий трафик, на нижнем уровне - исходящий. Имеется возможность выбрать усреднение интервала измерения (5, 20 и 30-минутные интервалы). Также вычисляются максимальное и среднее значения трафика на выбранном временном интервале. В идеале анализ статистических данных должен составить основу для предложений по модернизации и оптимизации сети, а также использоваться в качестве характеристик описанной выше гиперсети БФ ОАО «Ростелеком».
На сегодняшний день существует ряд работ по исследованию сетевых трафиков, в которых доказывается их самоподобие (фрактальность). Непрерывный стохастический процесс X(t), считается самоподобным с параметром Херста Н (0,5 <Н <1), если для любого положительного числа а, процессы X(t) и aHX(at) , будут иметь идентичные распределения для всех положительных целых п:
{Х(Г0,Х(Ь), ...,X(Q D~ {aHX(aitO, äHX(a2t2), ..., анХЫ}
Отношение D~ означает асимпотическое равенство в смысле распределения.
Для определения принадлежности процесса к классу самоподобных, необходимо рассмотреть агрегированные из него процессы, построенные
с помощью усреднения значении исходного процесса на непересекающихся временных интервалах т:
X + X + X
_ ]'т-т+\ ]'т-т+2 ' ' ' ]т
Мт> 1 1 т 3 ^ 1
?
В случае сохранения статистических свойств (среднее, дисперсия) говорят об его самоподобии.
Предположим, что исследуемый трафик является самоподобным.
В статье приведены и проанализированы данные собранные в течение суток, недели, а также на протяжении трех месяцев. Суточный трафик дополнительно разделен и проанализирован по интервалам интенсивности нагрузки.
Рассматриваемый временной ряд входящего трафика в течении трех месяцев составляет 2148 часов. Временной ряд усреднен пятиминутными интервалами, часовой пояс соответствует Улан-Удэнскому часовому поясу:
Хт> = {Хт\: к=1, 2.....2148}
Рис.4. Пример статистики трафика за 3 месяца 2014 года
Рассмотрим агрегационные процессы, полученные из исходного временного ряда.
Уменьшим шкалу наблюдения в три раза. Временной интервал будет составлять 720 часов, что соответствует месячному трафику. Для наблюдений приведем статистику трафика за ноябрь 2014 года.
Рис. 4.1. Трафик за 1-30 ноября.
Далее таким же образом уменьшаем исходный ряд в 6 раз (временной ряд составит 358 часов, что соответствует статистике трафика за 15 дней), а затем в 12 раз (недельный трафик).
Визуально структура исходного ряда подобна структурам усредняемых по группам рядов. Этот факт служит предположением о самоподоб-ности трафика сети. Важным параметром оценки «степени» самоподоб-ности является упомянутый выше параметр Херста, который находится в интервале 0,5 < Н < 1. Для фрактальных процессов с долговременной зависимостью данный параметр изменяется в пределах 0,7 ... 0,9. Для оценки параметра Херста воспользуемся методом абсолютных моментов, где исходная последовательность с длиной N разделяется на блоки с длиной т. На границах блока последовательность имеет среднее значе-ние(дисперсия):
Хт)(к) - - где к = 1,2..... - (1.1)
ш т
где N - длина исходной последовательности, а т - число усредняемых
последовательных членов ряда.
Для каждого блока рассчитываем дисперсию и матожидание для всей последовательности:
(12)
Далее для каждого блока находим момент п:
АМ""'„ ^¿Х^т-хГ (1.3)
В данном случае значение п=1 (абсолютное среднее значение). Далее строим график в логарифмическом масштабе - зависимость абсолютных средних значений для последовательностей от степени агрегирования т, строим аппроксимирующую прямую для полученных экспериментальных данных. Угол наклона будет соответствовать р. Далее рассчитываем коэффициент самоподобности Я=7-//?/
Результаты измерений сведены в таблицу:
Таблица 1.
Коэффициенты Херста для рассматриваемых периодов
Рассматриваемый вре- 1Р1 Н
менной ряд
25 ноября 0,044 0,956
Неделя (1-8 сентября) 0,193 0,807
Сентябрь 0,152 0,848
Октябрь 0,0173 0,9827
Ноябрь 0,168 0,832
3 месяца (сентябрь, октябрь, ноябрь) 0,163 0,837
В качестве примера приведен расчет трафика за 25 ноября. Суточный трафик был специально разделен по интервалам интенсивности нагрузки: с 5.00 до 12.00 - период низкой интенсивности; с 12.00 до 13.30 - период средней интенсивности; с 13.30 до 18.45 - период высокой интенсивности; с 18.45 до 00.00 - период максимальной интенсив-
ности;
с 00.00 до 2.30 - период высокой интенсивности; 2.30 до 3.20 - период средней интенсивности; с 3.20 до 5.00 - период низкой интенсивности.
Рис.5. Статистика трафика за 25 ноября 2014г.
Для анализа суточного трафика использовался метод абсолютных моментов.
Данные расчетов сведены в таблицу.
Рис.6. Дисперсионно-временной график для интервала высокой интенсивности с 00.30 до 2.30 утра 26 ноября 2014г.
Таблица 2.
Коэффициенты Херста суточного трафика
Интервалы интенсивности IPI Н
период низкой интенсивности (с 5.00 до 12.00) 0,1575 0,8425
период средней интенсивности (с 12.00 до 13.30) 0,0434 0,9566
период высокой интенсивности (с 13.30 до 0,2212 0,7788
18.45)
период максимальной интенсивности (С 18.45 0,0778 0,9222
до 00.00)
период высокой интенсивности (с 00.00 до 0,3003 0,6997
2.30)
период средней интенсивности (с 2.30 до 3.20) 0,0347 0,9653
период низкой интенсивности (с 3.20 до 5.00) 0,0414 0,9586
Трафик за сутки 0,044 0,956
Исходя из результатов исследования статистических данных можно сделать следующие выводы:
S сетевой трафик филиала имеет самоподобную природу, так как
параметр Херста лежит в интервале 0,7... 0,9;
эффект самоподобия проявляется в широком диапазоне времени: от нескольких часов до месяцев;
коэффициент самоподобия лежит в интервале от 0,6... 0,9.
В статье проведен анализ и мониторинг трафика на внешнем канале сети филиала, результаты которого будут использованы при последующем описании и моделировании.
Литература
1. Спортак Марк А. и др. Компьютерные сети. Книга 2: Networking essentials. Энциклопедия пользователя. - К.: Изд-во «Диа Софт», 1999. -432 с.
2. Норенков И.П., Трудоношин В.А. Телекоммуникационные технологии и сети.
3. Попков В.В. Математические модели связности. Часть 2. - Новосибирск, 2001. - С. 46-48.
4. Крылов В.В., Самохвалова С.С. Теория телетрафика и ее приложения. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005.
5. Вишневский В.М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. - М.: Техносфера, 2003.
6. Столлингс В. Современные компьютерные сети. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2003.
7. Попков Г.В. Диссертация «Исследование и разработка методики оптимизации сетей абонентского доступа».
8. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: Учебник для вузов / В.В. Крухмалиев, В.Н. Гордиенко, А.Д. Моченов и др.; под ред. В.Н. Гордиенко и В.В. Крухмалиева. - М.: Горячая линия-Телеком, 2004.-421 с.
References
1. Sportak Mark A. i dr. Komp'juternye seti. Kniga 2: Networking essentials. Jenciklopedija pol'zovatelja. - K.: Izd-vo «Dia Soft», 1999. - 432 s.
2. Norenkov I.P., Trudonoshin V.A. Telekommunikacionnye tehnologii i
3. Popkov V.V. Matematicheskie modeli svjaznosti. Chast' 2. - Novosibirsk, 2001. -C. 46-48.
4. Krylov V.V., Samohvalova S.S. Teorija teletrafika i ее prilozhe-nija. -SPb.: BHV-Peterburg, 2005.
5. Vishnevskij V.M. Teoreticheskie osnovy proektirovanija komp'ju-ternyh setej. - M.: Tehnosfera, 2003.
6. Stollings V. Sovremennye komp'juternye seti. 2-е izd. - SPb.: Piter, 2003.
7. Popkov G.V. Dissertacija «Issledovanie i razrabotka metodiki optimi-zacii setej abonentskogo dostupa».
8. Osnovy postroenija telekommunikacionnyh sistem i setej: Ucheb-nik dlja vuzov / V.V. Kruhmaliev, V.N. Gordienko, A.D. Mochenov i dr.; pod red. V.N. Gordienko i V.V. Kruhmalieva. - M.: Goijachaja linija-Telekom, 2004. -421 s.
Макшанова Лариса Михайловна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры ВТИ, Бурятский государственный университет, е-mail: Larisa.M.Makshanova@sibir.rt.ru.
Makshanova Larisa Mikhailovna, candidate of technical sciences, senior Lecturer, department of VTI, Buryat State University, e-mail: Larisa.M.Makshanova@sibir.rt.ru.
