Распределение канального ресурса при обслуживании мультисервисного трафика Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Распределение канального ресурса

при обслуживании мультисервисного трафика

Рассмотрены особенности распределения канального ресурса при обслуживании заявок на передачу мультисервисного трафика. Показано, что при определенных соотношениях между параметрами трафика может наблюдаться ухудшение показателей обслуживания заявок по сравнению с раздельным обслуживанием потоков. Даны рекомендации по решению возникающих проблем.

Ключевые слова:

мультисервисный трафик, качество обслуживания, канальный ресурс, коммутация каналов, коммутация пакетов, цифровые линии

Пшеничников АП., Васькин ЮА,

Степанов М.С.

На этапе проектирования мультисервис-ных сетей необходимо выполнить обоснованный выбор основных параметров качества обслуживания (Quality of Service, QoS) пользователей услуг. Данные параметры имеют нормированные значения, которые должны использоваться в качестве ограничений при решении задачи по расчету канального ресурса проектируемой мультисервисной сети.

В сетях связи с коммутацией пакетов используются две группы параметров QoS.

Первая группа параметров характеризует качество передачи информации. Нормированные значения, а также методика измерения и расчета данных параметров приведены в [1-3].

Вторая группа параметров QoS определяет качество обслуживания сообщений. Нормированные значения данных параметров используются при расчете пропускной способности каналов связи мультисервисной сети.

При формализованном расчете топологии мультисервисной сети основным структурным параметром, задающим пропускную способность цифровых линий, является скорость передачи, выраженная в единицах канального ресурса. Исходя из известных теоретических результатов и практических рекомендаций, для определения скорости передачи можно использовать следующую схему [4-7].

Пусть в анализируемой модели сети имеется J цифровых линий. Занумеруем эти линии произвольным образом. Допустим, что линия с номером j имеет фиксированную скорость пе-

редачи Sj бит/с. Предположим также, что на сети обслуживается потоков сообщений, которые следуют от узла-источника к узлу-получателю по фиксированному для данного потока пути, состоящему из последовательности цифровых каналов. Будем считать, что для обслуживания сообщения к-го потока требуется канальный ресурс Dk бит/с в каждой из цифровых линий, составляющих маршрут следования сообщений к-го потока. Предполагается, если не оговорено особо, что значение D| не меняется за время обслуживания, не зависит от порядкового номера передаваемого сообщения и оценивается либо на основе пиковой величины интенсивности поступления пакетов, передаваемых по анализируемому соединению, либо с использованием эффективной интенсивности

[4, 7, 8].

Назовем единицей канального ресурса наибольший общий делитель (НОД) целочисленных значений скоростей З,,...,^ всех цифровых линий, имеющихся в сети, и требований к скоростям обслуживания D],...,Dnкаждого из п имеющихся в сети потоков сообщений. Обозначим одну единицу канального ресурса через 0. Таким образом,

(1)

В результате, целочисленное представление скорости /-ой цифровой линии имеет вид у = З/0 единиц канального ресурса, а целочисленное требование к скорости обслуживания для сообщений к-го потока — Ьк = D/0 единиц канального ресурса.

В практических задачах выбор единицы канального ресурса зависит от типа сетевого участка, на котором производится расчет. Например, если анализируется процесс формирования абонентского трафика, то, как правило, в качестве единицы канального ресурса удобно использовать скорость передачи основного цифрового канала 64 кбит/с.

На магистральном участке сети в зависимости от степени концентрации трафика в качестве единицы канального ресурса может быть выбрана скорость потока Е1 (2,048 Мбит/с) или скорость, задаваемая синхронным транспортным модулем STM-1 (155 Мбит/с) синхронной цифровой иерархии SDH и т.д

Для оценки параметров качества обслуживания информационных потоков, передаваемых по сетям с коммутацией пакетов с использованием виртуальньх соединений, можно использовать модели, применяемые в классической теории телетрафика для оценки характеристик сетей коммутации каналов с явными потерями в результате блокировок вызовов. Аналогом канала в сетях с коммутацией пакетов выступает единица канального ресурса. Соответственно, объём канального ресурса, выраженный в единицах канального ресурса, будем называть просто канальным ресурсом.

В исследуемой модели мультисервисной линии имеется n потоков заявок на выделение канального ресурса. Поступление заявок к-го потока примем в соответствии с законом Пуассона с интенсивностью Х, где к = 1,2,...,n. При использовании данной модели предполагается, что поток заявок формируется от существенно больших групп пользователей.

Обозначим через v — скорость передачи мультисервисной линии, выраженную в единицах канального ресурса, требуемого для обслуживания поступающих заявок. Пусть b, — число единиц канального ресурса линии, которое необходимо для обслуживания одной заявки к-го потока. Предполагается, что время удерживания канального ресурса на обслуживание одной заявки к-го потока имеет экспоненциальное распределение с параметром Цк к = 1,2,...,n. Приведенные далее расчётные алгоритмы справедливы и при произвольном распределении длительности обслуживания заявок.

При принятых предположениях схема функционирования базовой модели мульти-

46

T-Comm #4-2009

У

сервисной линии показана на рис. 1. Часто оценка пропускной способности каналов связи мультисервисных сетей происходит по аналогии с принципами, применяемыми в сетях с коммутацией каналов. В основе одного из таких принципов лежит утверждение о повышении эффективности использования канального ресурса линии при объединении потоков сообщении. Данное утверждение справедливо, если речь идёт об объединении потоков заявок с одинаковыми требованиями к объёму канального ресурса, необходимому для обслуживания одной заявки [9].

Следует отметить, что потоки сообщений, порожденные новыми мультисервисными приложениями, по свойствам значительно отличаются от потоков с одинаковым типом трафика. Это означает, что развитые в классической теории телетрафика методики оценки канального ресурса цифровых линий, обеспечивающего заданный уровень качества обслуживания, следует применять с рядом оговорок.

Рассмотрим модель звена мультисервис-ной сети связи, в которой анализируется процесс поступления и обслуживания п потоков заявок на выделение канального ресурса, необходимого для обслуживания сообщений различных инфокоммуникационных услуг (речевые сообщения, видеоконфернцсвязь и тд.). Будем предполагать, что поступление заявок к-го потока подчиняется закону Пуассона с интенсивностью Ок, где к = 1,2,...,п. Пусть у — скорость передачи цифровой линии, выраженная в единицах канального ресурса, требуемого для обслуживания поступающих заявок, Ьк—число единиц канального ресурса цифровой линии, необходимого для обслуживания одного сообщения к-го информационного потока. Время удерживания канального ресурса на обслуживание одной заявки к-го потока имеет экспоненциальное распределение с параметром, равным единице.

Пусть р(і'і, ¡2,..., іп) — стационарная вероятность того, что на обслуживании находится к заявок к-го потока, к = 1,2,...,п. Качество обслуживания заявок к-го потока будем характеризовать долей потерянных заявок щ и средней величиной канального ресурса цифровой линии тк, занятого обслуживанием сообщений к-го потока. Пусть З — пространство состояний исследуемой модели. Оно состоит из векторов (¡1, ¡2, ..., ¡п), удовлетворяющих условию

¿¿А ^ V. (2)

к =1

Доля потерянных заявок к-го потока Пк в силу пуассоновского характера их поступления находится как доля времени пребывания циф-

ровой линии в состояниях, когда нет достаточного ресурса для приёма поступившей заявки к обслуживанию. Обозначим множество соответствующих состояний через Бк. Множество Вквключает в себя состояния (і *■ ..,іп)є £, удовлетворяющие условию

п

X чК > V — ьк. (3)

к=1

Значение щ определяется из равенства

Пк = X рік,¿2’...’и (4)

(\,іг,--, іп ')£Вк

Средняя величина канального ресурса цифровой линии, занятого обслуживанием заявок к-го потока, тк находится из выражения

тк = X р^Л—ОА. (5)

(і і ,...,і'п )^£

Эффективный алгоритм оценки введённых характеристик основан на использовании значений вероятностей пребывания модели во множестве состояний £ с £ , куда входят состояния (і і2,...,іп)є£ , удовлетворяющие условию

п

X іА =і.

к=1

Значение р(і) определяется из равенства

р(і) = X р^л—іп).

(і і,..., іп )є£ і

Тогда введённые показатели могут быть найдены из соотношений

Пк = X Р(і)’ тк = аА(1 -щ к

і=у—Ьк+1

где значения р(і) определяются из рекуррентной зависимости [4,5,7]

1 п

р(і) = ^ акЬкР(і — Ьк X

і к=1

і = 1,2,..., V, р (0) = 1.

Воспользовавшись построенной моделью, рассмотрим численный пример, иллюстрирующий поведение основных показателей обслуживания заявок с разными требованиями к объёму канального ресурса.

Пусть у = 120, п = 2, Ок = уг/пЬк, к = 1,2 и значение г представляет собой интенсивность поступающего трафика на одну канальную единицу, выраженную в эрлангах. На рис. 2 показаны значения доли потерянных заявок, рассчитанные при совместном и раздельном обслуживании заявок и увеличении значения г.

Совместное обслуживание — общий канальный ресурс у = 120: кривая 1 — доля потерянных заявок 1-го потока при ^ = 1; кривая 2 — доля потерянных заявок 2-го потока при Ь2 = 30.

Раздельное обслуживание: кривая 3 — доля потерянных заявок 1-го потока Ь = 1, при обслуживании заявок соответствующего потока на линии с канальным ресурсом у = 60; кривая 4 — доля потерянных заявок 2-го потока при Ь2 = 30 при обслуживании заявок соответствующего потока на линии с канальным ресурсом у = 60.

На рис. 3 в этих же условиях показаны значения коэффициента использования одной ка-

Т-Сотт #4-2009 47

Y

1

0.9

0.8

З 0.7 т ос

го . .

« 0.6 ><

А

і 0.5

О.

о 0.4 е: ос

о. 0.3 сі

0.2 0.1 0

0.1 02 05 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 05 1 1.1 1,2 15 1.4 15 15

Интенсивность предложенного трафика на одну канальную единицу

Рис. 2. Значения доли потерянных заявок на мультиісервисной линии при совместном (кривые 1 и 2) и раздельном (кривые 3 и 4) их обслуживании и Ц = 1, Ь2 = 30

обслуживания одновременно требуется больший ресурс линии.

В результате сообщения первого потока получают дополнительные возможности для использования канального ресурса цифровой линии. По тем же причинам коэффициент использования канальной единицы при совместном обслуживании заявок оказывается меньше, чем при раздельном обслуживании (см. рис. 3).

Для решения возникающих проблем необходимо использовать схемы контроля распределения канального ресурса, зависящие от типа обслуживаемых заявок и степени загрузки цифровой линии. Возможно использование трех моделей: резервирование, приоритетное обслуживание и раздельное использование канального ресурса в соответствии с характеристиками обслуживаемого трафика.

Применение той или иной схемы распределения канального ресурса зависит от различных факторов, в том числе и стоимостных, и требует отдельного исследования.

Интенсивность предложенного трафика на одну канальную единицу

Рис. 3. Значения коэффициента использования одной канальной единицы при совместном (кривая 1) и раздельном (кривая 2) обслуживании заявок и Ь = 1, Ь2 = 30

нальной единицы. Кривая 1 рассчитана для случая совместного обслуживании заявок, кривая

2 — при раздельном обслуживании.

Из рассчитанных данных следует, что при совместном обслуживании заявок нескольких потоков, имеющих существенную разницу в объёме канального ресурса, необходимого для обслуживания одной заявки, наблюдается не-

контролируемое оператором перераспределение емкости канального ресурса.

Уменьшение вероятности потерь для заявок первого потока (см. рис. 2, кривая 1) объясняется тем, что с ростом общей интенсивности входного трафика сообщения первого потока, занимая канальный ресурс, не допускают к нему сообщения второго потока, поскольку тем для

Литература

1. ITU-T Y 1540. Internet protocol data communication service — IP packet transfer and availability performance parameters.

2. ITU-T Y 1541. Network performance objectives for IP-based services.

3. ITU-T Y 1542. Framework for achieving end-to-end IP performance objectives.

4. Лагутин В.С, Степанов СН Телетрафик муль-тисервиснык сетей связи. — М.: Радио и связь, 2000. — 320 с.

5. Ершов В.А, Кузнецов НА Мультисервисные телекоммуникационные сети. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. — 432 с.

6. Ross K.W. Multiservice loss models for broadband telecommunication Networks. — London, Berlin, New-York: Springer-Verlag, 1995. — 343 p.

7. Broadband network traffic. Performance evaluation and design of broadband multiservice networks. Final report of action COST242 / James Roberts ... (ed). (Lecture notes in computer sciences). Springer, 1996. — 586 p.

8. Performance evaluation and design of multiservice networks. Final report of action 224 / J.WRoberls. (ed.), Performance evaluation and design of multiservice networks. Paris, October, 1991. — 125 p.

9. Корнышев Ю.Н., Пшеничников А.П, Харке-вич АД Теория телетрафика // Учебник. — М.: Радио и связь, 1996. — 224 с.

48

T-Comm #4-2009