CC BY
19Проблемы создания средств проектирования телекоммуникационных сетей с технологией передачи
АТМ.
Тютин В.А. ( tyutin@orc.ru ) Концерн «Системпром»
1. ВВЕДЕНИЕ
Стандартизованный метод передачи, мультиплексирования и коммутации, называемый асинхронным режимом передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM), рекомендован международными организациям по стандартам в качестве основы построения ШЦСИО. Режим ATM соединяет преимущества методов коммутации каналов и коммутации пакетов, обеспечивая передачу и коммутацию всех служб в общем цифровом формате. Содержательное описание данного метода нашло широкое отражение как в зарубежной, так и в отечественной литературе. В качестве подробных источников можно рекомендовать соответствующие рекомендации ITU-T [1-3] и книгу [4].
В настоящее время наблюдается переход от отдельных экспериментальных АТМ-сетей к их широкому практическому внедрению. В связи с этим особую важность приобретают средства для анализа характеристик сетей АТМ на этапе их планирования и проектирования.
Сложность и высокая стоимость сетей АТМ не позволяет основывать работу по формированию их архитектуры и оценке характеристик лишь на инженерной интуиции. На этапе проектирования существенную помощь оказывают программы математического моделирования, которые позволяют проверить последствия внедрения тех или иных решений и оценить характеристики доставки информации еще до приобретения и установки оборудования. В разделе 2 статьи описаны особенности АТМ-систем, которые должны учитываться при моделировании
Имеется ряд коммерческих пакетов, предназначенных для моделирования сетей, строящихся на базе технологии АТМ. Обзор таких программ приведен в разделе 3 статьи. К сожалению, их использование в российских условиях сталкивается с рядом трудностей; в частности, используемые в них методы и алгоритмы скрыты внутри программ.
Таким образом, актуальной для отечественных исследователей является задача разработки математических моделей и методов расчета характеристик сетей АТМ в целях создания программных средств проектирования таких сетей в нашей стране. В разделе 4 приводится описание наиболее важных черт ATM-сетей, которые необходимо учесть при создании математической модели и
алгоритмов расчета вероятностно-временных характеристик (ВВХ) для сети АТМ..
2. ОСОБЕННОСТИ ATM-УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ
В настоящем разделе рассматриваются характерные черты сетевых устройств АТМ и построенных на их основе систем, которые должны быть в той или иной степени реализованы в системах моделирования работы сетей. Вопросы реализации некоторых из этих характерных черт в моделях ATM-сетей описаны в разделе 4.
2.1. Коммутаторы АТМ
Для того, чтобы математическая модель достаточно хорошо описывала АТМ-сеть, в ней должны быть реализованы модели коммутаторов АТМ, учитывающие их внутреннюю структуру, в том числе механизмы организации буферов и управления перегрузками. Поскольку коммутационное оборудование у различных производителей может существенно отличаться, программные средства моделирования, как правило, включают библиотеку моделей различных устройств, а также предоставляют возможность задавать параметры для оборудования, отсутствующего в стандартной библиотеке.
Помимо коммутации и буферизации полезным может быть учет дополнительных функций, реализованных в коммутаторах, таких как многоадресная передача и приоритетное обслуживание.
2.2. Маршрутизация
Схема маршрутизации зависит, как правило, от используемых в узлах сети коммутаторов АТМ. «Выбирая производителя оборудования, мы очень часто выбираем и архитектуру маршрутизации» [4, стр.88].
Маршрутизация применяется только при установлении виртуального соединения.
Возможно использование централизованных алгоритмов маршрутизации, либо распределенных, которые могут быть динамическими (адаптивными), статическими или квазистатическими.
2.3. Уровень AAL
Моделирование функций AAL-уровня (ATM Adaptation Layer) осуществляется с учетом особенностей различного по своей природе трафика, который преобразуется в стандартные АТМ-пакеты. Требуются модели различных типов AAL, процедур сегментации и сборки сообщений.
Примерами типов трафика могут служить:
А - речь с постоянной скоростью (64 Кбит/сек); транспортировка по АТМ цифровых каналов Т1, Е1;
В - передача звука, подвижного изображения;
С - передача данных с установлением соединения; сигнализация;
D - передача данных без установления соединения.
Более детальное описание уровня AAL содержится, например, в [4], а также в рекомендации I.363 [3].
2.4. Уровень ATM
Модель АТМ-уровня включает модели виртуальных путей и виртуальных каналов с моделированием соответствующих задержек и выходных буферов портов.
Важным является моделирование контроля трафика, включая как процедуры управления доступом для вызовов, так и процедуры согласования параметров, таких, например, как средняя скорость передачи, пиковая скорость передачи.
Детальное описание уровня АТМ содержится, например, в [4].
2.5. Характеристики АТМ-трафика
Перечислим характеристики трафика, которые (полностью или частично) служат исходными данными для математических моделей сетей АТМ.
Каждый из источников трафика, будь это передача голоса, трафик сетей SNA, соединения локальных/глобальных сетей и т.д. характеризуется следующими параметрами:
• процент использования полосы пропускания линии доступа;
• тип: точка-точка или многоточка;
• среднее число членов в группе (только для случая многоточки);
• максимально допустимая задержка (latency);
• приоритет (1-3);
• пиковая скорость поступления АТМ-пакетов (PCR - peak cell rate);
• поддерживаемая скорость поступления АТМ-пакетов (SCR - sustainable cell rate);
• максимальная длительность пикового периода (MBS - max burst size);
• распределение поступления АТМ-пакетов;
• коммутируемые (SVC) или постоянные (PVC) виртуальные каналы;
• средняя скорость поступления пакетов (для SVC);
• среднее время удержания соединения (для SVC);
• класс требуемого качества обслуживания (QoS - quality of service).
3. О СУЩЕСТВУЮЩИХ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВАХ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕТЕЙ АТМ
В настоящем разделе дается краткая характеристика наиболее известных коммерческих программ, имеющих средства для моделирования работы АТМ-сетей. Некоторые из этих пакетов принадлежат производителям сетевых устройств и предназначены для анализа характеристик сетей, построенных на их собственном оборудовании.
Стоимость предназначенной для этой цели программного обеспечения достаточно высока, обычно - десятки тысяч долларов. Основными рабочими платформами являются рабочие станции с системой UNIX и/или персональные компьютеры с системой Windows. В крупных проектах для более достоверного анализа часто применяют две-три различных системы, чтобы была возможность сравнить результаты, полученные на разных моделях.
Наиболее распространенным методом расчета вероятностно-временных характеристик является имитационное моделирование. Используются также аналитические методы. Среди основных рассчитываемых характеристик средние значения числа переданных и потерянных АТМ-пакетов (cells), значения задержек пакетов в сети, процент использования пропускной способности линий, число пакетов, передающихся с превышением пиковой и средней скорости передачи.
Перечисленные в разделе 2 требования в той или иной степени реализованы в наиболее мощных системах моделирования работы сетей. В следующей таблице указаны наиболее известные коммерческие программы, имеющие средства для моделирования работы АТМ-сетей (источники информации - [5-20] ).
Программные средства моделирования
Компания Продукт Платформа Метод
Alta Group of Cadence Design Systems BONeS UNIX И
Bridge & Associates Hybrid Network Design Systems UNIX А
CACI Products COMNET III UNIX, Windows И
Cisco NETSYS UNIX И
GRC International NetworkVUE нет данных И
Make Systems Netmaker XA UNIX И, А
MIL3 Opnet UNIX, Windows И, А
Network Design and Analisys AutoNet Performance-3 Windows А
NewBridge 46020 MainStreet Network Simulator UNIX И
Примечание. А - аналитическое моделирование, И - имитационное моделирование
Коммерческие программы моделирования работы сетей предлагают проектировщикам готовые инструментальные средства, позволяющие смоделировать различные варианты построения сети, оценить их характеристики и выбрать оптимальное решение.
Существенным препятствием для использования в отечественной практике западных программных продуктов моделирования ATM-сетей является высокая стоимость этих продуктов.
Кроме того, используемые во всех рассмотренных продуктах методы и алгоритмы скрыты внутри программ. Это означает, что единственным способом, позволяющим оценить точность расчетов с помощью данных программ, является построение реальных образцов сетей. Не имея информации о том, какие предположения и упрощения заложены в моделях, выявить ошибку можно только на поздних стадиях реализации проекта построения сети. Уменьшить вероятность возникновения таких ситуаций можно за счет использования двух-трех различных программ моделирования и сравнения результатов, полученных при работе с несколькими моделями. Так, например, поступили, при разработке проекта NILE, когда одновременно применяли
COMNET III, BONes Designer и OPNET Modeler [20]. Однако это еще больше удорожает процесс проектирования.
В связи с вышесказанным следует сделать вывод о целесообразности и актуальности разработки у нас в стране собственных математических методов и программных средств моделирования ATM-сетей в интересах поддержки работ по проектированию таких сетей.
4. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕТЕЙ АТМ
В настоящем разделе рассматриваются "ключевые" вопросы, которые должны быть решены в процессе моделирования ATM-сетей.
4.1. Характеризация трафика.
Для правильного проектирования и управления ATM-сетью необходима адекватная характеризация разнородного трафика. Можно выделить следующие классы служб:
• службы с постоянной битовой скоростью (CBR), характеризующиеся непрерывной передачей с постоянной скоростью;
• службы с переменной битовой скоростью типа VBR/Start-Stop, характеризуемые чередованием периодов активности (в течение которых происходит передача ATM-ячеек с некоторой известной скоростью) и периодов молчания (когда передача не ведется, хотя виртуальный канал сохраняется);
• службы типа VBR/Continuous, характеризующиеся изменениями битовой скорости в течение периода активности (ПА).
В настоящей работе будут рассматриваться "однородные" источники информации (ИИ), т.е. ИИ, каждый из которых запрашивает некоторую конкретную службу вида CBR или VBR/Start-Stop (службы типа VBR/Continuous не рассматриваются).
Описание трафика ("traffic description") - это минимальное множество параметров, необходимых и достаточных для характеризации трафика, поступающего от такого ИИ, в интересах процедур управления ресурсами. Описание трафика играет ключевую роль в обеспечении служб, управлении доступом, контроле пользовательских параметров("policing"), поскольку параметры описания трафика должны согласовываться между абонентом и сетью и в дальнейшем должны соблюдаться абонентом.
В настоящее время в качестве описания трафика чаще всего предлагается следующий набор параметров (достаточный для характеризации служб типа CBR и VBR/Start-Stop):
• пиковая скорость - величина, обратная к минимальному времени между передачей двух соседних ATM-ячеек из некоторого источника информации;
• средняя скорость - среднее число ATM-ячеек, передаваемых ИИ в течение соединения за некоторое достаточно длительное время;
• максимальная длина периода активности - максимальное число последовательных АТМ-ячеек, которые ИИ может передать в течение ПА;
• средняя длина ПА - среднее число последовательных АТМ-ячеек, которые ИИ может передать в течение ПА.
• Параметрами, характеризующими поток вызовов, являются:
• средняя длительность вызова;
• входящая нагрузка в часы наибольшей нагрузки, измеряемая в эрлангах;
• число вызовов в часы наибольшей нагрузки.
• Отметим также группу параметров, задающих качество обслуживания (ОоБ), которое необходимо обеспечить соответствующему ИИ (конкретной службе) при передаче через АТМ-сеть:
• величина задержки передачи АТМ-ячейки;
• вероятность потери АТМ-ячейки;
Эти параметры должны являться выходными характеристиками модели
АТМ-сети.
4.2. Виртуальные каналы и виртуальные пути. Пропускная способность виртуальных путей.
Под виртуальным каналом (ВК) обычно понимается логическая цепочка каналов, по которым будут передаваться АТМ-ячейки данного вызова. Вызов -это запрос на установление соединения между двумя оконечными пользователями и само соединение, в течение которого чередуются периоды активности и периоды молчания (когда передача не ведется, хотя виртуальный канал сохраняется).
Виртуальный путь (ВП) определяется как набор пучков мультиплексированных ВК, соединяющий оконечные пункты виртуального пути, причем оконечные пункты способны идентифицировать любое соединение, как исходящее от элементов сети (терминалов), так и адресованное этим терминалам; терминалы входят в состав периферийных сетей. ВП обеспечивает
прямую логическую связь между оконечными пунктами (ОП).
В ранних АТМ-сетях было принято предложение о выделении каждому ВП пропускной способности (ПС), равной требуемой пиковой скорости. Хотя эта стратегия проста для реализации и понимания, при ней тем не менее также возникают проблемы, касающиеся QoS [1]. В то же время слабое использование ресурсов при таком подходе заставляет рассматривать другие методы, лучше использующие ресурсы и дающие вероятностную гарантию QoS.
При статистическом определении ПС ВП определяется реальными запросами всех ВК, относящихся к данному ВП. При этом ПС определяется с параметрами описания трафика. Этот подход уменьшает требуемую ПС путей и линий благодаря эффектам статистического мультиплексирования между ВК в путях и между путями в линиях [2].
4.3. Математическое описание информационных потоков.
Наличие периодов активности и периодов молчания означает, что трафик в ATM-сети (как трафик от ИИ, так и мультиплексированный трафик в линиях сети) характеризуется скачкообразно изменяющейся скоростью; используется термин "пульсация" или "прерывистость" трафика ("burstiness"). В связи с этим моделирование информационных потоков с помощью обычных пуассоновских потоков оказывается неадекватным [3].
В ряде работ ([4] и др.) процесс поступления ATM-ячеек после мультиплексирования описывался общим стохастическим процессом. При этом до некоторой степени учитывалась корреляция интервалов между поступлениями ATM-ячеек после мультиплексирования и достигалось относительно хорошее приближение при оценке характеристик мультиплексирования речевых сигналов. Для описания входного потока при этом использовался третий центральный момент. Однако по заданным пользователем параметрам описания трафика могут быть аккуратно оценены моменты не выше второго. Поэтому в [3] предложено аппроксимировать мультиплексированный поток общим рекуррентным потоком, задаваемым двумя моментами. Эта модель в определенной степени отражает реальное поведение потоков информации в ATM-сетях, хотя и не полностью отражает существующую корреляцию.
4.4. Принципы моделирования ATM-сети.
Проведенное обсуждение технологии ATM дает возможность сформулировать следующие принципы построения математической модели ATM-сетей:
• источники информации, относящиеся к каждому ОП, считаются однородными и характеризуются с помощью параметров описания трафика, описанных выше;
• передача ATM-ячеек между ОП осуществляется по ВП;
• пропускная способность каждого ВП определяется статистически;
• следует учитывать наличие "пульсации" трафика;
• в качестве выходных характеристик рассматриваются распределение времени передачи и вероятность потери ATM-ячейки.
В соответствии с вышесказанным можно поставить задачу расчета распределения времени передачи и вероятности потери ATM-ячейки через ATM-сеть. Входными данными этой модели являются:
• структура (топология) ATM-сети с пропускными способностями отдельных ATM-линий;
• совокупность ИИ, соединяющихся с сетью посредством узлов сети (ОП), с соответствующими описанием трафика и характеристиками потока вызовов;
• совокупность ВП для каждой пары ОП. Эти ВП должны определяться таким образом, чтобы суммарная нагрузка, поступающая на каждую линию сети, могла быть с удовлетворительным качеством передана по этой линии.
Основная задача, которая должна быть решена с помощью модели, состоит в вычислении параметров случайного времени передачи и вероятности потери ATM-ячейки в данной сети с учетом статистического определения ПС ВП.
В качестве модели магистральной ATM-сети рассмотрена открытая сеть массового обслуживания (СеМО) с однотипными заявками. Эта СеМО состоит из узлов и симметричных линий, соединяющих пары соседних (инцидентных) узлов. Узлы подразделяются на оконечные (соответствующие узлам доступа магистральной ATM-сети) и транзитные (соответствующие коммутаторам в ATM-сети). На оконечные узлы сети могут поступать заявки из внешних источников информации (ИИ); заявки соответствуют ATM-ячейкам (cells) и ниже будут называться пакетами. Предполагается, что каждая линия сети представляет собой СМО с одним обслуживающим прибором и накопителем пакетов.
Из каждого внешнего ИИ, где происходит генерация поступающих в сеть пакетов, на оконечный узел i направляется рекуррентный поток пакетов, адресуемых в оконечный узел j. Назовем пару оконечных узлов (i,j), для которой существует поток из i в j, тяготеющей парой T=(ij).
Каждый пакет в соответствии с режимом ATM имеет постоянную длину.Длительность передачи пакета по каждой линии является постоянной величиной, зависящей от пропускной способности линии. Дисциплина обслуживания на линиях - в порядке поступления.
Маршрутизация пакетов в сети производится в соответствии с заранее заданными виртуальными путями (ВП). Для каждой пары задан единственный ВП - цепочка линий, соединяющих оконечные узлы i,j пары T.
В реальной ситуации объемы буферной памяти ограничены, но достаточно велики, и вероятность потери пакета очень мала, так что изменениями интенсивности потоков, связанными с потерями на линиях, можно при анализе характеристик последующих линий пренебречь. Поэтому с точки зрения расчета характеристик задержки пакетов ATM-сеть целесообразно моделировать как сеть с неограниченными объемами буферной памяти. (ПРЕДПОЛОЖЕНИЕ 0). Тем не менее разработанный алгоритм дает возможность оценивать вероятность потери пакета при заданных конечных объемах буферной памяти.
Следуя [21], делаем также следующие предположения, которые будут использоваться при оценке ВВХ сети:
• все потоки, циркулирующие в сети, независимы друг от друга и являются рекуррентными (ПРЕДПОЛОЖЕНИЕ 1);
• при анализе сети учитываются лишь средние значения и коэффициенты вариации распределений промежутков времени между поступлениями пакетов (ПРЕДПОЛОЖЕНИЕ 2);
• производится декомпозиция СеМО, т.е. каждая линия сети рассматривается изолированно (ПРЕДПОЛОЖЕНИЕ 3).
Разработанный расчетный алгоритм основан на предположениях 0-3. Приведем только его общую схему.
1. Строится модель функционирования каждого типа ИИ и на ее основе по перечисленным в разделе 2 параметрам рассчитываются параметры потока, поступающего в сеть от каждого ИИ.
2. В соответствии со свойствами рекуррентных потоков [21] вычисляются параметры суммарных входящих в сеть потоков для каждой пары Т.
3. Вычисляются параметры для потока, поступающего на каждую линию (с использованием методики [21]).
4. Среднее время ожидания начала обслуживания на линии и можно вычислить по приближенной формуле для системы О | О | 1 из [22].
5. В соответствии с [23] имеет место экспоненциальное приближение для распределения времени ожидания, на основе чего вычисляется дисперсия времени ожидания.
6. Вероятность потери пакета в некоторой линии для модели с ограниченной буферной памятью г оценивается сверху вероятностью того, что в модели с неограниченной памятью пакет поступит на линию в момент, когда в соответствующем буфере занято не менее г мест; последняя вероятность вычисляется с использованием результатов [24].
7. С учетом полученных характеристик на линиях вычисляются:
• среднее значение и дисперсию задержки в сети пакета любой пары Т (путем нормальной или гамма- аппроксимации вычисляются вероятность доставки пакета в течение заданного времени);
• оценка вероятности потери пакета пары Т.
4.5. Программный комплекс моделирования АТМ-сети.
На базе математической модели, описанной выше в настоящей главе, разработана программа моделирования работы АТМ-сети, позволяющая рассчитывать вероятностно-временные характеристики для магистральной АТМ-сети. Программный комплекс может быть укрупнено представлен в виде трех основных компонент: расчетные модули программного продукта, группа файлов для записи и хранения входных характеристик, Файлы для записи и хранения выходных характеристик. Формы входных и выходных данных для этой программы приведены ниже.
Исходными данными модели являются:
• топология сети (задается графом произвольной структуры. Узлами графа могут являться коммутаторы и оконечные пункты. Ребрами графа являются линии).
• характеристики коммутаторов (объем выходного буфера).
• характеристики линий (тип канала передачи данных).
• характеристики типов каналов (скорость передачи информации в канале).
• трафик (совокупность тяготеющих пар оконечных пунктов; структура виртуальных каналов для каждой пары; совокупность источников информации, относящихся к каждой паре);
по каждому источнику информации:
• тип источника;
• пара, к которой он относится;
• среднее время длительности вызова;
• интенсивность потока вызовов;
• среднее время длительности периода активности;
• максимальная скорость передачи во время ПА;
• средняя скорость передачи за время вызова(для CALL- и POO-источников).
Основные выходные данные модели:
• характеристики времени доставки ячеек
• математическое ожидание времени доставки
• стандартное отклонение времени доставки
• квантили времени доставки
• вероятность доставки ячеек адресату
• вероятность доставки ячеек между оконечными пунктами
• вероятность потери ячеек в результате нехватки пропускных способностей линий
Основные этапы моделирования ATM-сети.
Для выполнения моделирования работы сети Frame Relay необходимо выполнить следующие действия:
1. создать файлы, отражающие структуру сетевого графа (узлы, линии); в файле линий отражаются используемые типы каналов;
2. создать файл с информацией о типах каналов;
3. создать файл с данными о тяготеющих парах;
4. создать файл с данными о виртуальных каналах;
5. создать файл с данными об источниках информации;
6. выполнить вычисления;
7. пронализировать результаты и принять решение о допустимости данного варианта структуры и характеристик физических линий связи и виртуальных соединений сети.
Разработанный программный комплекс был использован для решения практической задачи по проектированию корпоративной АТМ-сети. Сеть соединяет 16 географически удаленных друг от друга абонентских офиса и включает в себя 3 магистральных АТМ-коммутатора MSX36140 и
подключенных к ним 7 коммутаторов доступа MSX36144. Для каждого абонентского офиса заданы типы устанавливаемого оборудования и характеристики генерируемого трафика. Сеть обеспечивает передачу нескольких типов трафика: телевизионное вещание (в цифровом формате МРБО-2), передача данных (соединение ЛВС), передача телефонии (соединение городских АТС), видеоконференц-связь. Решены задача анализа ВВХ различных вариантов схем маршрутов постоянных виртуальных соединений между абонентским оборудованием и выбора схемы, наилучшим образом обеспечивающей выполнение требований по качеству обслуживания, выдвигаемых каждым типом трафика.
Список литературы:
1. ITU-T. Рекомендация I.361..
2. ITU-T. Рекомендация I.362..
3. ITU-T. Рекомендация I.363..
4. Назаров А.Н., Симонов М.В. //АТМ: технология высокоскоростных сетей. -М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1997.
5. ПО моделирования работы сетей. Computerweek-Moscow, №5, 1995.
6. Васильев М., Хомков И., Кравченко С., Шаповаленко С. //Моделирование и анализ корпоративных информационных систем - PC Week/RE, №34, 1998.
7. Мусич П. //Cabletron и Optimal Network в одной команде - PC Week/RE, № , 1997.
8. Мусич П. //НР пересматривает перечень услуг OpenView - PCWeek/RE, №17, 1998.
9. NetworkVUE. Рекламный материал.
10. http:Wwww.altagroup.com
11. Preliminary experience with COMNET III for the ATLAS modeling. http:Waxcn01.cern.ch/cms/comnet.html
12. http:Wwww.caciasl.com
13. http:Wwww.netsystech.com
14. http:Wwww.cisco.com
15. http:Wwww.grci.com
16. http:Wwww.makesystems.com
17. http:Wwww.mil3.com
18. http:Wwww.ndacorp.com
19. http:Wwww.newbridge.com
20. Use of Network Modeling Tools in the Nile System Design. -http:Wwww.nile.utexas.edu/Nile/CHEP95/Network-Modeling.html.
21. Г.П.Башарин, П.П.Бочаров, Я.А.Коган. //Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчета. - М.: Наука, 1989.
22. W.Kramer, M.Langenbach-Belz. Approximation for the delay in the queueing systems GI|GI|1. Congressbook, 8th ITC, Melbourne, 1976.
23. Л.Клейнрок. //Вычислительные системы с очередями. - М.: Мир, 1979.
24. E.Gelenbe, G.Pujolle. //The behaviour of a single queue in a general queueing network. Acta Informatica, 1976, v.7, No.2, p.123-136.
