ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ И СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ПАКЕТНЫХ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЕЙ NGN Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

А.И. Яшин

доктор технических наук, профессор, ПАО «Интелтех»

Н.Н. Мошак

доктор технических наук, доцент, ПАО «Интелтех»

Е.В. Давыдова

ПАО «Интелтех»

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ И СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ПАКЕТНЫХ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЕЙ NGN

АННОТАЦИЯ: Предложены методы параметрического и структурного синтеза неоднородной пакетной инфотелекоммуникационной транспортной системы мультисервисной сети связи NGN на технологии IP-QoS, позволяющие осуществлять оптимизацию системы по оригинальному функциональному критерию эффективности при выполнении заданных требований к сквозному качеству передачи мультимедийного трафика и выбирать наиболее рациональный ее вариант при заданных условиях проектирования.

Введение

Технологической основой информационного общества XXI века является Глобальная информационная инфраструктура (Global Information Infrastructure, GII) [1]. В этой связи выдвинута новая парадигма создания технологической основы GII на базе концепции пакетной сети следующего поколения (Next Generation Network, NGN) [2—4]. Базовыми принципами NGN являются разграничение функций коммутации и переноса информации различной природы, а так же функций управления вызовами и функций управления услугами в сетях указанного класса [2]. Коллективный доступ к пользовательским службам или инфоуслугам ИКС будущего, обеспечивает ее широкополосная пакетная мультисервисная сеть связи (МСС) — транспортный слой инфокоммуникационной сети NGN. В терминах модели взаимодействия открытых систем (ВОС) Международной организации по стандартизации (МОС) МСС образует область взаимодействия ИКС (рисунок1), в состав которой входят абоненты мультисер-висной сети, широкополосные сети доступа и мультипротокольная инфотелекоммуникаци-онная транспортная система (ИТС), образующая пакетное коммуникационное ядро сети, которое

рассматривается в аспекте канального, сетевого и транспортного уровней ее архитектуры [5,6]. ИТС реализует услуги переноса (bearer service) разнородной информации между сетевыми окончаниями сети с заданным качеством сервиса (Quality of Services, QoS).

Создание национальной мультисервисной сети (ИКС) NGN, является задачей ближайшей перспективы [2—4]. В России директивными документами рекомендованы пакетные технологии IP-QoS и АТМ для построения соответственно региональных (зоновых) и магистральных компонент национальной МСС [2]. Это порождает проблему проектирования современных пакетных мультсервисных сетей NGN.

В настоящее время известно достаточно много работ, посвященных моделям и методам расчета параметров сетевых интегральных технологий, которые составляют теоретическую базу исследования цифровых сетей связи с интеграцией служб (ЦСИС). Однако применение накопленного арсенала известных методов для исследования МСС и ее компонентов ограничивается, в частности, тем, что в качестве базовой структурно-сетевой задачи при исследовании ЦСИС, как правило, выбирается задача оптимизации структуры в традиционной постановке по стоимостному критерию с ограниче-

ниями на среднее время доставки пакета (сообщения), дисперсию времени доставки и/или вероятность своевременной доставки [8—10], что не всегда адекватно формализует сетевые процессы в МСС с учетом специфики организации и обслуживания мультимедийных соединений (наличие обязательной фазы установления соединений с переменным сетевым ресурсом и заданной многокомпонентной потоковой структурой; блокировки мультимедийных вызовов с учетом избыточной мультимедийной нагрузки; фиксации заданного квантиля функции распределения времени пребывания изохронных пакетов в сквозном тракте передачи; смешивания потоков и их синхронизацию в мультимедийной сессии; задействование механизмов защиты и др.) в рамках единых инфотелекоммуникаци-онных сетевых служб. При этом на фазе установления сессии сеть выступает как система массового обслуживания с потерями, а в случае успешного прохождения сигнального запроса устанавливаются фиксированные маршруты для передачи каждой потоковой компоненты в рамках единой мультимедийной сессии [5,7]. Так как, например, для качественного восприятия речи становится важным не среднее время пре-

бывания пакета в сети, а доля пакетов, не доставленных за заданное время, т. е. при ее анализе необходима фиксация заданного квантиля функции распределения времени пребывания пакета в сквозном тракте передачи. Кроме того, необходимо обеспечить (в рамках предоставления единой транспортной услуги в сессии) заданного уровня синхронизации разнородных мультимедийных потоковых компонент. Для пакетов данных важно не просто минимальное среднее время его доставки в сети (которое само по себе может оказаться достаточно большим и неприемлемым, например, для интерактивного обмена), а заданное среднее время [5,7]. Создание сетей следующего поколения не мыслимо также без применения механизмов защиты.

Несмотря на многочисленные публикации на тему гипотетического построения мультисер-висных сетей NGN в России на сегодня отсутствуют реальные методы их проектирования. Ниже развиваются методы параметрического и структурного синтеза МСС, реализованной на технологии IP-QoS на основе общих принципов и аналитических моделей, разработанных и сформулированных в [5,7], которые могу быть востребованы операторами связи и проектными

организациями при создании национальной пакетной мультисервисной сети NGN и мульти-сервисных сетей специального назначения.

Обоснование выбора показателей качества обслуживания мультимедийного трафика в МСС

Пусть имеется мультисервисная сеть связи, топология которой описывается графом G = (I, J), где I — множество вершин мощности N = |1|, J с I х I — множество ребер у е J . Каждое ребро графа моделирует межузловой линейно-цифровой тракт (ЛЦТ) связи пропускной способности Vij, бит/с. Пакет может быть передан в ЛТЦ с Уу у

Mt

вероятностью ошибки pO

определено Rst =

lim, m = 1, Mk

Je

— глобаль-

соединения задается системой pst m ных вероятностей выбора m-го пути

lst,m = { SI1

= {

1' г2'"

мк

}

к

st,m

длины пк для пары

st eSk ( £ pkt m =1 для V st eSk ). В общем слу-

m=1

В графе G = (I,J) выделяются две вершины s е I — источник и t е I — получатель и на нем строится связный подграф Gst = (Ist, Jst) (рис. 3).

Вершины графа i е I .соответствуют узлам коммутации (УК) сети, в качестве которых выступают маршрутизаторы ИТС. Любая пара узлов сети может обмениваться информацией. Считаем, что топология сети не изменяется и входные потоки стационарны.

Не теряя общности будем полагать, что оконечные мультимедийные системы (end multimedia system, EMS) в сессии порождают двухком-понентный информационный поток: речевой трафик класса B и трафик данных класса C (в терминах ATM Forum). Для каждой пары

st eSk в связном подграфе Gst = (It, Jst) опре-

к

делено Mst статических путей для переноса информационных потоковых компонент к -го класса. Будем допускать, что в сети используется статическая альтернативная стратегия маршрутизации и в связном подграфе Gst = (Ist Jst)

фиксирован-

ных путей для каждой пары УК из множества

гтл К ггл <_>

st е Л мощности г5( = Л , каждый из которых выбирается с заданной глобальной вероятностью т. Другими словами распределение мультимедийных вызывных сообщений по де-

„г-

реву при установлении мультимедийного

чае ^¡^т Ф 0 . Путь т-го выбора /^ на под-

т=1

графе Gst = (/^, Jst) образуют множество ребер

¡Кт ={у е -1: у е } . Алгоритмы поиска

могут быть взяты, например, из [12]. Корневое дерево путей лежит в основе построения последовательно—параллельной схемы путей, моделирующих маршруты передачи информационных потоков К-го класса в мультимедийной сессии (рис. 2).

Трафикк-го класса в рамках предоставления единой транспортной услуги может быть распределен в сессии по нескольким путям (необязательно совпадающим) в фиксированных во времени определенных пропорциях. Потоки мультимедийных вызовов интенсивности Хт^

(вызов/час) создают в сети нагрузку а^11^ =

В с

= ast + ast (Эрл) от источника s в направлении получателя t. При этом допускается, что мультимедийный вызов в этом направлении может быть потерян с вероятностью, не превышающей нормированное значение Ьта/^. При этом блокированные мультимедийные вызовы могут распределяться по альтернативным путям 2-го, 3-го и т. д. выбора. Маршруты передачи независимы для каждого типа трафика. Будем полагать, что К-я потоковая компонента в рамках предоставления единой транспортной услуги функционирует независимо друг от друга, но ограничена длительностью мультимедийной сессии. Нагрузка между каждой парой st еЛк может быть распределена по нескольким путям в определенных пропорциях, фиксированных во времени.

Состав показателей качества обслуживания QoS, ограничения на значения которых должны учитываться в процессе создания ИКС, подробно рассмотрены в [5,7]. При создании МСС должны, в первую очередь, выполняться ограничения на значения показателей качества обслуживания мультимедийных вызовов на фазе установления соединения, а именно, вероятность потери вызовов

bmulty = b(ymulty )

(1)

нормативные (допустимые) значения которых определены соответствующими рекомендациями ITU. Здесь ymuliy (выз/с) — интенсивность поступления мультимедийных вызовов. Создание методики расчета потерь в МСС — задача

Рис. 2. Пример организации параллельно-последовательных схем на связном подграфе G15 = G(/15, /15)

Топология сети

Связный подграф gls = G(Ils,Jls)

Граф g(i,j) i = {1,2,3,4} — вершины j={12,13,21,23,24,25,31,32, 34,35,42,43,45,52,53,54} — ребра

G15 = G(I15,J15)

I15 = {1,2,3,4} J15 = {12,13,23,24,25,32,34,42,45}

Рис. 3. Пример построения связного подграфа G15 = G(I15,J15) на графе G(5,16)

теории телетрафика будущего. Отметим, что этот параметр в существующих моделях сетей указанного класса или ее элементов, как правило, не учитывается. Для борьбы с блокировкой потоков в сеансе связи в сети должна быть реализованы функции «политики управления нагрузкой» (policing), а также организовано управление очередями в буферах сетевого оборудования.

В роли ограничений на значения показателей качества обслуживания изохронного трафика класса B (в терминах ATM Forum) в сессии в существующих моделях сетей с интеграцией служб выступают либо средняя величина сетевой задержки пакета изохронного трафика TB , либо вероятность Pr { t <8^ } доставки пакета указанного класса в сквозном тракте передачи st е SB

кетных ИТС предлагается применять «квантиль-ный» подход, т. е. вводить ограничение на заданную вероятность йв этого превышения, которая гарантирует необходимую изохронность передачи [5.7]

{t >8Bst }= J fBm (t) dt < dB

(2)

b -tB

Вероятность d эквивалентна вероятности блокировки ресурса в пакетной сети, моделируемой СеМО типа М / М /1/ ^ с неограниченным накопителем в сеансе связи. Здесь fst т ^) — плотность распределения вероятности случайной задержки времени пребывания пакетов изохронного трафика класса В в составном маршруте за время, не превышающее заданное . В па- ТВт тракта st eSB . В физическом смысле веро-

ятность d есть доля пакетов класса В , превысивших время и/или потерянных из-за ошибок в заголовке и переполнения буферов маршрутизаторов [5,7]. Другими словами, для качественного воспроизведения изохронного трафика при пакетной передаче важно не среднее время пребывания пакета в сети, а доля пакетов, не доставленных получателю за заданное время, т. е. при анализе необходима фиксация заданного квантиля распределения времени их пребывания в сети.

Для характеристики качества передачи асинхронного трафика, вводится ограничение на заданное среднее время пребывания пакета данных в составном маршруте тракта

,т

Ст(< ТС , не превос-

ходящее предельной величины ТС , где ф^ т ^) — плотность вероятности времени пребывания пакета данных в т — маршруте тракта st е 8Ср . При более жестком нормировании качества переноса высокоскоростных потоков данных класса С , связанном с ограничением на долю потерянных и/или засланных не по адресу пакетов данных, предложено также применять «квантильную» постановку:

Рг {t > ТС }= У /^ (0 dt < dC.

Здесь Трас =

,В - Н1Р и ТС =

В рас

ЬС - Н

ТР

— вре-

и ю

мя накопления информационной части соответствующего пакета у абонента; Н1Р — длина заголовка пакета, бит.

Качественный показатель для оценки межпоточной синхронизации передачи изохронного потока с более строгими требованиями к изохронности передачи (например, видеопоток) по сравнению с потоком с менее строгими требованиями (например, аудиопоток) будем оценивать коэффициентом межпоточного смещения

п =

R■skew

М

Л 2

< const,

(3)

где d и d — заданный уровень изохронности передачи потоков к — го класса.

Выбранные качественные показатели адекватно отображают QoS-нормы переноса муль-

тимедийного трафика в инфотелекоммуникаци-онной транспортной системе при предоставлении инфокоммуникационной услуги связи.

Учитывая, что основным характеристическим показателем качества функционирования ИТС в сессии (характеристической мерой) является степень использования ее физических ресурсов мультимедийным трафиком, предложено в качестве основополагающего методологического средства оценки функционирования системы использовать ее функциональную эффективность. Показано, что целевое назначение инфотелекоммуникационной транспортной системы однозначно предопределяет вид ее функционального критерия эффективности (целевой функции) Кк , который строится в виде общей числовой характеристики использования ресурса пропускной способности системы трафиком различных классов в рамках мультимедийного соединения. Суммарная номинальная пропускная способность линейно-цифровых трактов системы, необходимая для поддержания мультимедийных соединений, дается аддитивной формой Vт1п = т1п = £ КкУк т1п.

к к Указанный критерий фактически определяет требуемую долю ресурса пропускной способности Уу линейно-цифровых трактов системы, необходимую для переноса мультимедийных информационных потоков заданной структуры и объемов с заявленным качеством обслуживания в сессии. Он имеет четкий физический смысл, чувствителен к основным варьируемым параметрам системы, а также обеспечивает возможность сравнения различных вариантов построения и выбора наиболее рационального варианта при заданных условиях проектирования.

Обоснование критерия эффективности

В качестве основополагающего методологического средства оценки системы принята ее экономическая и/или функциональная «эффективность». Оценка эффективности сложных систем, к которым относятся ИТС, является сложной и не до конца решенной проблемой [8—10]. Общая классификация методов оценки эффективности функционирования телекоммуникационных сетей приведена в [11] (рис. 4). Наиболее важным требованием к критерию эффективности является способность критерия измерять эффективность рассматриваемой системы.

Рис. 4. Общая классификация методов оценки эффективности системы

В этой связи критерий эффективности должен отражать основное назначение системы исходя из цели ее проектирования. Другим, не менее важным, требованием к критерию является возможность его оценки в количественной, численной форме, исключающей неоднозначность толкования его значения. При этом критерий эффективности должен иметь четкий физический смысл и давать наглядное представление об исследуемом качестве системы. Третье по важности требование заключается в чувствительности критерия к основным варьируемым параметрам системы, что позволяет определить наиболее рациональные характеристики системы или ее составляющих. Четвертое требование — критерий должен обеспечить сравнение различных вариантов построения системы для выбора наиболее рационального. Последнее требование относится к полноте учитываемых критерием главных параметров системы или ее составляющих, определяющих назначение и качество работы системы. Кроме того, критерий должен быть достаточно простым и удобным в инженерной практике расчета. Эффективность системы, а следовательно, и ее критерий в общем случае зависят от трех групп факторов: характеристик многомерного входящего потока (интен-

сивности, длин сообщений и др.); особенностей функционирования системы; экономических показателей, характеризующих ее работу и др.

Целеполаганием ИТС является обеспечение требуемого качества услуги переноса мультимедийного трафика в сеансе связи с предоставлением для этого минимума сетевых ресурсов. Таким образом, целеполагание ИТС определяет две основные функции системы. Первая функция связана непосредственно с самой системой и является характеристикой качества функционирования системы (Network Performance, NP), т. е. характеризует ее эффективность. Как отмечалось выше, основным характеристическим показателем качества функционирования (характеристической мерой) ИТС является степень использования пропускной способности системы мультимедийным трафиком в режиме установленного соединения. Вторая функция связана с пользователем и является характеристикой качества его обслуживания QoS в сеансе связи или характеристикой качества процесса переноса мультимедийного трафика. Целеполагание ИТС однозначно предопределяет вид ее комплексного функционального критерия эффективности (целевой функции) Kk в виде общей числовой характеристики использования про-

пускной способности ЛЦТ системы Vlj мультимедийным трафиком с учетом ограничений на QoS-нормы его переноса [12,13]. Номинальная пропускная способность определяется суммой номинальных скоростей отдельных потоков в рамках мультимедийного соединения, обслуженного системой и дается аддитивной формой

С11 = у у

у у у

(4)

при

Рг {t >9* }< dB ,

п =

skew

М

,к 2

< const,

ТС < Тс (Рг { > ТС }< dC). (5)

При этом значение номинальной полосы пропускания должно удовлетворять ограничениям допуска нового соединения, в качестве которых могут выступать ограничения на качественные показатели транспортировки разнородного трафика в сессии.

Критерий Кк как характеристическая мера является первичным критерием эффективности, в то время как вторичные критерии порождают ограничения на качественные показатели переноса мультимедийной информации. Необходимо отметить, что построение удобного в инженерной практике комплексного показателя эффективности, объединяющего в себе основные частные критерии, является нетривиальной задачей [9—11].

В качестве критерия эффективности ИТС предлагается использовать функциональный критерий, отражающий основное назначение сети: использование пропускной способности системы и время доставки разнородного трафика в сессии, в предположении удовлетворения требований к качеству его доставки, обоснованные выше. В основу методологической базы построения критерия предлагается использовать модель ее архитектуры [5, 7, 12, 13]. В рамках этой методологии эффективность использования сети в режиме установленного соединения оценивается с помощью набора уровневых функционалов (критериев) использования пропускной способности ее ТС смешенным трафи-

„к

ком различных классов Кк у , которые моделируют уровневое логическое соединение и определяют требуемую долю пропускной спо-

собности Vу ЛЦТ для его передачи (индекс к соответствует соответствующему уровню архитектуры ТС, ниже транспортного). Указанные функционалы зависят не только от необходимой для их работы служебной информации соответствующих объемов, но и от протоколов функционирования отдельных уровней архитектуры ТС, поддерживающих соответствующие службы (в том числе и службы безопасности). В силу относительной независимости уровней архитектуры и вложенности протокольных блоков верхних уровней архитектуры ТС в информационное поле протокольных блоков нижележащих уровней функционалы Ккку обладают мультипликативным свойством, откуда общий функционал оценки эффективности использования пропускной способности ЛЦТ или локальный межузловой критерий эффективности ТС дается выражением: Кк = ПКкк у , для всех транспортных

мк

соединений Кк = У р^ Кк,т

т=1

а для всей

сети — Кк = ^

к

st еS¡

к у

У ^ (Кк)"

, дк = . Здесь

Кк ,т — критерий оценки эффективности использования т-го маршрута сквозного тракта

передачи st е Sk из множества МЦ трафиком к-го класса, р^т — глобальная вероятность ввода пакета в т-й путь, выбранный на фае установления соединения из множества Мк8р

мк

( У Рк,т = 1, для V st еSk ), а^ — доля входяще-

гкр

т=1

го потока в общем сетевом потоке Ук = У

лstl

st еSk

Кк,т КТ-1уег т

I кТт . Функционал по-

I у ^.ш

добного типа обладает свойством Нт Кк = = таХК^ , что не дает явного преимущества

st еSТ

транспортным соединениям с большими весовыми коэффициентами. Выбранный критерий эффективности имеет четкий физический смысл, чувствителен к основным варьируемым параметрам систем, что позволяет определить наиболее рациональные их характеристики, а также обе-

к

к

к

спечивает сравнение различных вариантов построения для выбора наиболее рационального при заданных условиях проектирования.

Параметрический синтез пакетной инфотелекоммуникационной транспортной системы

Проектирование МСС и, в частности, ее ИТС является сложным итерационным процессом и в первую очередь включает в себя задачу анализа: определение по входным характеристикам сети (типу, величине и интенсивности входной нагрузки) и ее параметрам (топологии, пропускной способности, показателей надежности, системе маршрутизации) ее выходных характеристик (допустимых нагрузок по различным направлениям связи, ВВХ и т. п. Цель анализа — исследование устойчивости интегральных показателей к внешним и внутренним параметрам сети, выявление «узких» мест и выработка предложений по их устранению. При этом анализ сети осуществляется при поисках оптимальной топологии сети, синтезе пропускной способности межузловых линейно-цифровых трактов (ЛЦТ) передачи, поиске оптимального плана распределения потоков и др. Разработчик вначале рассматривает макроструктуру сети, оценивает ее параметры и рассчитывает характеристики ее элементов. После этого следует уточнение решений. По своей сути задача анализа носит поисковый характер и решается на каждом шаге итерационного процесса направленным комбинированием входных параметров сети с одновременным анализом выходных характеристик. При этом используется, как правило, одномерный критерий оптимизации и целый ряд допущений [8—10]. Для МСС задача анализа сохраняет содержание и важность, но приобретает некоторые особенности [5,7,12].

Математически сформулированную в общем виде задачу анализа ИТС можно формализовать в следующим образом: найти такой вектор параметров Хк°пт , что

хк°пт = ащ ехГКк (хкт)

хк еХ *к х еХдоп

п

(6)

при 1к (хт)

Здесь хк = (хТс,х"ИБ), где

-тс

-ПИБ

, Хп — векторы параметров транспортной системы и подсистемы безопасности соответственно; Хкоп — множество допустимых значений параметров, включая параметры защиты.

Кк (хк) — критерий эффективности системы, экстремум которого необходимо обеспечить выбором соответствующего вектора параметров;

-т (хПк) — вектор показателей качества системы

к

с учетом механизмов защиты; ¿доп — множество допустимых значений показателей качества с учетом механизмов защиты. Результатами решения задачи анализа являются оптимальные длины речевых пакетов и пакетов данных, а также максимально допустимые загрузки межузловых ЛЦТ передачи многокомпонентными информационными потоками.

Задача анализа ИТС в терминах целевых функций формулируется следующим образом. Необходимо оценить: может ли мультимедийный трафик различной природы заданной структуры и объема Ymulty , пропущенный на фазе установления соединения, быть обслужен системой при условии соблюдения ограничений на QoS-нормы переноса в рамках единой транспортной услуги. Другими словами, при заданных G , , р^,т , Уу. р°Ш необходимо определить

возможность передачи потока Ymulty = IYk

к

с характеристиками обслуживания при ограничениях Ь5( ,8 , Тсс (dstс). При этом если такой перенос возможен, то необходимо определить предельные его значения, а в случае невозможности переноса — максимально допустимые значения, при которых еще возможно заданное качество обслуживания. Содержание задачи анализа можно конкретизировать как задачу выбора оптимальных значений параметров системы в смысле заданного критерия ее эффективности. Таким образом, задачу анализа ИТС в терминах целевых функций можно записать в виде последовательности двух задач оптимизации:

1. Найти

в

а^тах К =

= а^тах г

I

st еSк

/ Г в г

в

Ymulty (К st )

гв=кв,

(7)

при условиях

Рг^ >8^) <dв V st е Sв : аВВ1

Ь« < Ьти1(у,

(8)

где Рг(&> ^) — заданная вероятность d превышения речевым В -пакетом времени пребы-

В В

вания в тракте st eS ; Ь5( — вероятность блокировки мультимедийного вызова в направлении st е Sk при организации инфокоммуни-кационной услуги; 2. Найти

а^тах Кс =

В

= а^тах г

I ^ (кС )гС, гс=И, (9)

st еSC 1

при условиях

ТС < тс V st еSC : аС * 0

или

Рг^ > Тс) < dс V st еS

с. „с

: *0;

Ь^ < ьтиНу

(10)

Найти

при условии

aгg min К ,

V" еУдо

(11)

Рг^ >8") <dB V st еSB : а"( *0,

2. Найти

Ь^ <ьти^

aгg min К ,

VC е^т

(12) (13)

при условии

или

тс < Тс V st еSC : а£ * 0

Рг^ > ) < dс V st еSC : а% * 0 ;

Ь^ <ьти^

(14)

и все параметры первой задачи найдены и фиксированы.

Структурный синтез пакетной инфотелекоммуникационной IP-QoS-системы

Результаты решения задач оптимального параметрического анализа ИТС, лежат в основе задач выбора их пропускной способности или синтеза сети, который предусматривает выбор оптимальной альтернативы из заданного множества при фиксированном для каждой альтернативы векторе параметров (оптимальная в смысле заданного критерия варианта построения системы, реализующего конкретный набор функций в заданном базисе элементов и обеспечивающего требуемые характеристики системы) [8—10]. Задача выбора пропускной способности ИТС, реализованной на технологии IP-QoS, формулируется следующим образом. По заданным величинам многокомпонентных потоков с учетом ограничений на качество обслуживания и известной системе маршрутов их транспортировки необходимо определить минимальную пропускную способность V™ межузловых трактов сети. Указанная задача может быть формализована в виде двух задач оптимизации

и все параметры первой задачи найдены и фиксированы.

Метод структурного синтеза пакетных ИТС в режиме установленного соединения базируются на поэтапной минимизации значения V,-,-ресурса пропускных способностей ЛЦТ системы, при условии максимальной загрузки тракта речевым трафиком класса В . Затем рассчитывается максимальная допустимая загрузка трактов сети асинхронным трафиком данных класса с при условии, что все параметры первой задачи найдены и фиксированы. Таким образом, процедура принятия оптимального решения в соответствии с формализацией задачи оптимального проектирования ИТС сводится к решению задач оптимального синтеза. Для их решения, как правило, используются численные и/или имитационные модели системы. В нашем случае проектировщиков, в конечном счете, интересует минимальный ресурс пропускной способности ЛЦТ (минимальная скорость трактов передачи из дискретного множества первичных каналов связи) ИТС, обеспечивающей многополюсный перенос многокомпонентных входных потоков заданных объемов с требуемыми QoS-нормами на качество обслуживания. По сути эта задача тяготеет к задаче выбора пропускных способностей (ВПС) классических пакетных сетей, но в двойственной постановке [8—10]. Отыскивая минимальные скорости трак-

тов, мы фактически минимизируется их суммарная стоимость при ограничениях на качество передачи. Однако здесь задача усложняется наличием, по крайней мере, двух типов трафика, конкурирующих за сетевые ресурсы. Выбор оптимального варианта построения системы основан на оценке значений характеристик и критерия эффективности для всех рассматриваемых вариантов. Выполнение такой оценки для заданного варианта построения системы на каждом шаге итерационного процесса осуществляется с помощью процедуры оптимального параметрического анализа. При этом выбор оптимального вектора параметров для заданной альтернативы построения ИТС базируется на результатах решения задачи распределения смешенных потоков (РСП) [8—10]. Таким образом, процедура синтеза обязательно включает в себя процедуру анализа ИТС. Итерационный процесс выбора оптимальной альтернативы может давать различные результаты, которые зависят в какой-то степени от опыта проектировщика, не говоря уже о его субъективных представлениях.

Решение задач (11) и (13) связано с определенными математическими и вычислительными трудностями и требует разработки соответствующих методов. Сущность методики состоит в том, что сначала отыскиваются минимальные значения Vij пропускных способностей межузловых трактов, при условии максимальной загрузки тракта речевым трафиком с учетом требований на качество его обслуживания при предоставлении инфокоммуникационной услуги. Затем для найденных значений ЬВр(, рВтах (оптимального коэффициента загрузки ЛЦТ) и Vij рассчитывается максимальная допустимая

загрузка трактов сети рСтах трафиком данных класса С с учетом ограничений на качество его транспортировки при условии, что все параметры первой задачи найдены и фиксированы. Если эти величины меньше чем заданные, производится наращивание значений Vij■ до тех пор,

пока текущее значение рВ = рВтах . Особенность рассматриваемой задачи в том, что на каждом шаге происходит пересчет оптимальных длин речевых пакетов ЬВр( и это приводит к периодическому смешению (релаксации) значения оптимума. Полученные значения минимально необходимой скорости КтШ работы ЛЦТ для

заданных величин входных трафиков YB и YC , легко пересчитываемые в стоимость аренды каналов первичной сети, могут служить хорошим критерием для сравнения различных вариантов ИТС и выбора среди них наилучшего (самого дешевого).

Вычисленные значения Vj ресурса пропускных способностей трактов, позволяют минимизировать суммарную стоимость ресурса пропускной способности сети при ограничениях на качество передачи разнородного трафика. Эксплуатационные расходы в основном связаны с арендой каналов первичной сети связи. Оценить стоимость аренды для различных вариантов ИТС можно по формуле

где Vjmln(aBB VС) — величина минимальной скорости передачи межузлового тракта, необходимая для обслуживания трафика класса В — а.у (Эрл) и трафика класса

С —У<С (бит/с); Vlj (бит/с) — скорость работы каналообразующей аппаратуры в ЛЦТ; с(1) (руб) — стоимость аренды одного канала первичной сети длины I (км); [ — знак ближайшего большего целого.

Выводы

1.Качество функционирования МСС в режиме установленного соединения предлагается оценивать следующими показателями: для пакетов изохронного трафика фиксируется заданный квантиль d распределения времени их пребывания в тракте передачи, который гарантирует заданную изохронность передачи

Рг { t > 8у } < dB . Эта вероятность эквивалентна

более общей вероятности блокировки ресурса при установлении виртуального мультимедийного соединения. Для пакетов асинхронного трафика фиксируется заданное среднее время пребывания в сети, не превосходящее предельной

величины Т^ < ТтСах или квантилем Рг { t > Т^}

С

< d . Выбранные ограничения на качество передачи трафика различной природы адекватно отображают QoS-нормы его передачи в сессии. Для оценки требуемого ресурса пропускной способности для транспортировки разнородных по-

С = Х с (I)

а

У/т'П(аВ УСС)

Ун

токов информации с заданными QoS-нормами в межузловом тракте передачи ЛЦТ вводится показатель минимальной эффективной пропускной способности Vj .

2. Функциональный критерий эффективности МСС предлагается строить в виде общего сетевого функционала использования ресурса пропускной способности ее ИТС трафиком различных классов в режиме установленного соединения с учетом приоритетного обслуживания изохронного трафика (речь, видео) по отношению к асинхронному (интерактивные данные, файлы). Общие сетевые функционалы для каждого класса трафика представлены мультипликативной формой на базе уровневых функционалов модели архитектуры ИТС, которые должны строиться с учетом протоколов отдельных уровней и необходимой для их работы служебной информации соответствующих объемов применительно к каждой паре «источник-получатель».

3. В качестве методологической базы построения критерия эффективности транспортной системы МСС должна быть использована модель ее архитектуры. Выбранный функциональный критерий эффективности фактически определят требуемую долю ресурса пропускной способности сети для передачи любого класса трафика с заявленным качеством, отображает основное назначение системы, исходя из цели проектирования, и позволяет произвести его оценку в количественной и численной форме. При этом

он имеет четкий физический смысл, чувствителен к основным варьируемым параметрам сети, что позволяет определить наиболее рациональные характеристики систем, а также обеспечивает сравнение различных вариантов их построения для выбора наиболее оптимального при заданных условиях проектирования.

4. Методы параметрического синтеза пакетных МСС в режиме установленного соединения должны базироваться на поэтапной маргинальной оптимизации функциональных критериев эффективности (целевых функций) ИТС с учетом их условной зависимости при ограничениях на величину заданного квантиля распределения сквозного времени передачи пакетов изохронного трафика и заданное среднее время передачи пакетов асинхронного трафика в сети. В качестве оптимизируемых параметров при решении однокритериальных оптимизационных задач анализа ИТС предлагается использовать длины соответствующих протокольных блоков разнородного трафика.

5. Методы структурного синтеза пакетных МСС в режиме установленного соединения базируются на поэтапной минимизации значения Vij ресурса пропускных способностей трактов передачи системы, при условии максимальной загрузки тракта изохронным трафиком, и последующим вычислением максимально допустимой загрузки трактов сети асинхронным трафиком при условии, что все параметры первой задачи найдены и фиксированы.

ЛИТЕРАТУРА

1. ITU-T Recommendation Y. 110. Global Information Infrastructure principles and framework architecture, 1998.

2. Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России. — Документ Министерства РФ по связи и информатизации, 2001 г.

3. А.В. Росляков, С.В. Ваняшин, М.Ю. Самсонов, И.В. Шибаева, И.А. Чечнева. Сети следующего поколения NGN / под ред. А.В. Рослякова. — М.: Эко-Трендз, 2008. -424с.:ил.

4. Б. С. Гольдштейн. Сети связи пост-NGN / Б. С. Гольдштейн, А. Е. Кучерявый. — СПб.: БХВ-Петербург, 2014. —160 с.: ил.

5. Мошак Н.Н. Теория проектирования транспортной системы инфокоммуникационной сети: учеб. пособие для вузов. СПб.: Энергомашиностроение. 2006. 159 с.

6. Мошак Н.Н. Метод расчета характеристик транспортной системы инфокоммуникационной сети на технологии IP-QoS // Электросвязь. 2006. № 3. С. 44-47.

7. Н. Н. Мошак. Защищенные инфотелекомму-никации. Анализ и синтез: монография / СПб.: ГУАП, 2014. 193 с.: ил. ISBN 978-5-8088-0920-8

8. Г.П. Захаров, Г.Г. Яновский. Широкополосные цифровые сети интегрального обслуживания. Учебное пособие // СПбГУТ. - СПб,1994, 64с.

9. В.В. Лохмотко, Пирогов К.И. Анализ и оптимизация цифровых сетей для интегрального обслуживания. - Мн.: Навука i тэхшка, 1991. — 192 с.

10. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Построение сетей интегрального обслуживания. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990. — 332 с.: ил.

11. Пращук И.Б. Сравнительный анализ методов оценки эффективности функционирования телеком-

муникационных сетей / И.Б. Пращук. // Internationa l Informatization Forum V, International Conference on Informational Networks and Systems «ICINAS-98». SPb, 1998. с. 291-299.

12. Давыдова Е.В. Построение и формализация уровневых и комплексных критериев эффективности мультисервисной сети связи // Сборник научных

статей Ш-й Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании». СПб.: СПбГУТ. 2014. С.450-454.

13. Реклейс Г., Рейвиндран А., К. Рэгсдел. Оптимизация в технике: в 2-х кн., кн. 1., пер. с англ. М.: Мир. 1968. 352 с.: ил.