РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБА ГИБРИДНОЙ КОММУТАЦИИ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ НА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

B.И. Мирошников

доктор технических наук; профессор

П.А. Будко

доктор технических наук; профессор

Н.П. Будко

A.M. Жебрун

C.Л. Чибышев

ОАО «Информационные телекоммуникационные технологии» г. Санкт-Петербург

РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБА ГИБРИДНОЙ КОММУТАЦИИ

ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ НА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ

Предложен способ гибридной коммутации (ГК) цифровых каналов связи (ЦКС), позволяющий снизить временные задержки в передаче сообщений при допустимом уровне отказов в обслуживании за счет выбора режима коммутации, учитывающем уровень загрузки буферов памяти и реализации режима обучения и настройки устройства с широким классом видов трафика, используемых в современных технологиях. Устройство, реализующее предложенный способ, работает в трех режимах: в режиме обучения, в режиме коммутации пакетов (КП) и в режиме коммутации каналов (КК).

Ключевые слова: коммутация пакетов, коммутация каналов, гибридная коммутация, цифровые каналы связи, распределенная телекоммуникационная система, модуль идентификации, генератор сетевого трафика.

Введение

Известен способ адаптивной коммутации [1], обеспечивающий организацию на сети соединений в режиме КК с одновременной передачей сообщений в режиме КП. При этом осуществляется динамическое перераспределение пропускной способности трактов сети между потоками сообщений, передаваемых в режимах КК и КП. Недостаток данного способа коммутации состоит в высокой вероятности отказа в обслуживании сообщений, поскольку выбор того или иного способа коммутации осуществляется в режиме с отказами при отсутствии свободных ячеек памяти. При этом сообщенияразбиваются на блоки и записываются в общее поле памяти независимо от способа коммутации, а различные блоки одного и того же сообщения могут передаваться с

использованием различных методов коммутации, что приводит к нарушению масштаба времени всего сообщения.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу, является способ ГК [2], основанный на интеграции коммутационного оборудования, необходимого для реализации каждого метода коммутации: КК и КП. Он заключается в том, что предварительно устанавливают пороговое значение длины Хпор сообщения, сравнивают длину £ принимаемого сообщения с £пор и по результатам сравнения принимают решение о выборе режима коммутации. При этом если Ь>Ьпор, то выбирают режим КК. В противном случае, при Ь<Ьпор выбирают режим КП.

Недостатками данного способа коммутации являются относительно большие временные

задержки передачи сообщений, вызывающие частые блокировки и отказы в обслуживании при передаче длинных сообщений в режиме КП, а также нарушение реального масштаба времени передачи сообщений. Кроме того, данный способ также не предусматривает предварительного обучения системы при выборе режимов коммутации для разнородного трафика, что опять же приводит к росту среднего времени задержки сообщений из-за времени, отводимого на анализ.

Известно устройство гибридного коммутатора сообщений, состоящее из блока ввода-вывода, блока управления, запоминающего блока и коммутатора [3]. Недостатком данного устройства является относительно большое время задержки в передаче сообщений, вызванное отсутствием возможности автоматического управления режимами коммутации в зависимости от величины трафика и использованием отдельных трактов оборудования для осуществления режимов КК и КП. Также в нем отсутствует режим обучения системы на различные типы нагрузки (трафика), что приводит к увеличению времени задержки при прохождении сообщений через устройство.

Наиболее близким к заявленному устройству ГК ЦКС является устройство, описанное в работе

[4]. Структурная схема данного центра коммутации содержитмодулидоступа, промежуточной памяти, идентификации, сопряжения с каналами связи и управления. Его недостатками являются относительно большие временные задержки в обслуживании неравномерного трафика, на нагрузках, близких к критическим, а также неконтролируемый рост величины вероятности отказа в обслуживании сообщения при изменяющихся видах трафика и интенсивности его поступления.

Также известно устройство принятия решения

[5], реализующим условие нахождения оптимального значения порогов, обеспечивающих минимальную ошибку идентификации состояния системы. Недостатком устройства является относительно высокая вероятность отказа в обслуживании, вызванная тем, что назначение порогов осуществляется без учета общего состояния телекоммуникационной системы и величины загрузки буферных устройств узлов коммутации (УК) каналов связи, вызывающее блокировку устройства на загруженной сети, при передаче коротких сообщений методом КП.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является идентификатор блока принятия решения [6]. Его недостатком является его относительно низкая производительность, вызванная ростом времени задержки сообщений из-за необходимости производить измерение, преобразование и обработку большого числа параметров, что нередко связано с отключением системы и ее простаиванием.

Техническим результатом, достигаемым с помощью предложенного способа и устройства ГК ЦКС, является снижение временных задержек в передаче сообщений при допустимом уровне отказов в обслуживании за счет выбора режима коммутации, учитывающем уровень загрузки буферов памяти и реализации режима обучения и настройки устройства с широким классом видов трафика, используемого в современных технологиях, а также повышения производительности модуля идентификации параметров сообщений.

1. Сущность способа гибридной коммутации ЦКС

В заявленном способе ГК ЦКС технический результат достигается тем, что предварительно устанавливают пороговое значение длины Ьпор сообщения, сравнивают длину £ принимаемого сообщения с Ьпор и по результатам сравнения принимают решение о выборе режима коммутации. При этом для предварительной установки значения Ьпор генерируют сетевые трафики с отличающимися длинами сообщений Ь и интенсивностью X их поступления для N типов сетей связи и М видов трафика, по данным Ь и X и заданной интенсивности обслуживания сообщений ¡а вычисляют коэффициент загрузки р"т для каждого ш-го вида трафика и и-го типа сети связи, где т = 1, 2, ..., М\п = 1, 2, ..., N, удовлетворяющий требованию выполнения заданной вероятности отказа Р^™ в обслуживании, и по полученным результатам вычислении рт рассчитывают соответствующие ему критические длины Щр сообщения и формируют критические значения уровней порога итОр переключения режима коммутации, причем массив сформированных значений итОр запоминают, принимают от абонентов сообщения на

обслуживание, измеряют ихдлины идентифицируют для каждого сообщения его вид трафика ш и тип сети п, запоминают принятое сообщение, преобразуют измеренную длину сообщения в значение уровня напряжения итп, и сравнивают его с соответствующим ему предварительно вычисленным пороговым

значением > ПРИ итп > итОр выбирают режим «КК» и устанавливают физическое соединение дляпередачисообщенияполучателю, в противном случае сообщение разбивают на пакеты, каждый из которых снабжают адресной частью в их заголовках и выбирают режим «КП» для дальнейшей передачи получателю по виртуальному соединению в режиме дейтограмм.

Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков способа ГК ЦКС и введенной последовательности действий обеспечивается предварительное обучение системы и более корректная оценка параметров поступающих на обслуживание сообщений, на основе чего обосновывается выбор режима коммутации и достигается поставленная цель по своевременной доставке сообщений с допустимым значением вероятности отказа. При этом величина Х^1, а следовательно и £пор может быть установлена как путём анализа трафика, поступающего в устройство ГК ЦКС, так и за счет обучения системы заблаговремен-

но, путем моделирования различных видов сетевого трафика при проектировании устройства и сети.

2. Состав устройства гибридной коммутации ЦКС

Структурная схема предложенного устройства ГК ЦКС приведена на рис. 1. В нем технический результат достигается тем, что в известное из [4] устройство ГК ЦКС, дополнительно введен генератор сетевого трафика, информационный выход которого подключен к первому информационному входу модуля промежуточной памяти, к второму информационному входу которого подключен информационный выход модуля доступа, управляющие выходы «генератор сетевого трафика», «величина задержки» и «включение» модуля управления подключены к соответствующим управляющим входам генератора сетевого трафика, а управляющие выходы «величина пор ora» и «установка 0» к соответствующим управляющим входам модуля идентификации, управляющий вход «длина сообщения» и информационный вход которого соединен соответственно с управляющим выходом «длинасообщения» иинформационным выходом модуля промежуточной памяти, а информационные выходы «КК» и «КП» подключены к информационным входам

соответственно «КК» и «КП» модуля сопряжения с каналами связи.

При этом модуль доступа 1 (см рис. 1) осуществляет сопряжение входящих линий абонентов с устройством; ГСТ 2 формирует в режиме обучения для основных типов сетей различные виды современного сетевого трафика (данные, звук, видео идр.); модуль промежуточной памяти 3 выделяет объемы буферного пространства памяти для хранения сообщений и пакетов, а также производит их обработку; модуль идентификации 4 формирует решение на осуществление режима КК или режима КП с учетом длины передаваемого сообщения, объема загрузки буферов памяти и текущего состояния каналов; модуль сопряжения с каналами связи 5 осуществляет сопряжение устройства с каналами связи для организации виртуального канала или дейтограммной рассылки пакетов информации в сеть связи; модуль управления 6 служит для управления и контроля соединения исходящих и входящих линий, выполняет функции управления устройством, а также функции по вычислениям, логике и другие, связанные с учетом и контролем текущего его состояния. Такая структура устройства ГК ЦКС позволяет осуществлять управление его работой обычным процессором.

Благодаряперечисленной новой совокупности существенных признаков устройства ГК ЦКС обеспечивается снижение вероятности отказа и среднего времени задержки сообщений при обслуживании устройством неравномерного трафика за счет предварительного обучения системы и учета её состояния при выборе режима коммутации, чем и достигается поставленная цель. Причем уведомление устройства ГК ЦКС о длине подлежащего передаче сообщения в фазе установления соединенияпозволяетпредотвратить коллизии в сети, связанные с переполнением памяти узлов УК, повысить эффективность использования каналов связи за счет передачи очень длинных сообщений в реальном масштабе времени по физическому соединению иуменьшить общее число сообщений, получающих отказ в обслуживании по причине отсутствия свободных буферов памяти. При этом хранение длинных сообщений возложено на вызывающего абонента, а время хранения не должно превышать некоторой величины т в соответствии с рекомендацией р.543 сектора .ТТи — Т (СС1ТТ).

Функциональная схема предложенного генератора сетевого трафика (ГСТ) представлена на рис. 2. Геометрическая интерпретация процесса формирования сетевого трафика показана на рис. 3. Предложенная схемная

к

1 :

.1

Тз Тя т г т, т,

Рис. 3

реализация ГСТ обеспечивается более широкий класс генерируемых случайных импульсных последовательностей, позволяющий моделировать основные виды трафика современных телекоммуникационных систем (ТКС) за счет использования в своем составе перестраиваемого генератора тактовых импульсов, регулируемой линии задержки и настраиваемого на случайные последовательности с основными законами распределения генератора шума. Причем, обеспечивая режим обучения, ГСТ позволяет прогнозировать нагрузку ТКС без привлечения пользователей (абонентов).

Функциональная схема предложенного модуля идентификации представлена на рис. 4. Решение о выборе режима коммутации осуществляется непосредственно в модуле на основе сравнения измеренной длины поступившего на коммутацию сообщения с расчетной величиной порога для изменения режимов коммутации, а само пороговое значение длины сообщения устанавливается с учетом коэффициента загрузки устройства или по результатам его обучения (с использованием ГСТ), что обеспечивает снижение среднего времени задержки сообщений за счет сокра-

Рис. 4

щения времени анализа при выборе режима коммутации, чем и достигается поставленная цель.

3. Реализация этапов способа ГК ЦКС

Первым этапом способа является обучение системы, при котором устанавливают пороговые значения итОр > соответствующие пороговым длинам сообщений Ьпор для различных видов трафика т и типов сетей п. Для этого генерируют импульсные последовательности с различными длинами сообщений Ь и интенсивностью X их поступления, моделируя основные виды трафика т при различных дисциплинах обслуживания (протоколах) сетевых технологий п. По данным Ь и X и заданной интенсивности обслуживания сообщений ¡а вычисляют коэффициент загрузки р"т для каждого ш-го вида трафика и и-го типа сети связи, удовлетворяющий требованию выполнения заданной вероятности отказа Р^™ в обслуживании, и по полученным результатам вычислении рт рассчитывают соответствующие ему критические длины сообщения и формируют критические значения уровней порога итр переключения режима коммутации. Рассчитанные значения итОр для различных т и п запоминают в виде массива данных.

Вторым этапом способа является выбор режима коммутации сообщений. При этом в фазе установления соединения с вызывающим абонентом принимают сообщение на обслуживание, измеряют его длину Ь, иденти-

фицируют вид трафика т и тип сети п по адресу назначения и запоминают длину Ьтп сообщения, соответствующего виду трафика и типу сети. Далее преобразуют измеренную длину сообщения в значение уровня напряжения итп, и сравнивают его с соответствующим ему предварительно вычисленным на этапе обучения

пороговым значением итПр • при №и> итПр выбирают режим «КК» и устанавливают физическое соединение для передачи сообщения получателю, в противном случае, при №и < итПр , сообщение Ьтп разбивают на пакеты, каждый из которых снабжают адресной частью в их заголовках и выбирают режим «КП» для дальнейшей передачи получателю по виртуальному соединению в режиме дейтограмм.

Процедура формирования информационных пакетов из сообщения подробно описана, например, в [7]

4. Расчет критической длины сообщения для формирования критические значения уровней порога переключения режима коммутации

Выбор режима коммутации происходит путем сравнения величины длины сообщения с пороговым значением Ьпор, которое может быть рассчитано по формуле Ьпор = Ькр[1— V / у]+ + Р[д V 3 (0 / д{\, где V — общий объем памяти, занятый сообщением; V 3 (0 — текущее значение занятого объема памяти; д V производная

по времени от занятого объема памяти; Р — коэффициент пропорциональности. Данное значение Ьпор преобразуют в значение уровня напряжения

итПр и сравнивают его с соответствующим ему

предварительно вычисленным пороговым значением и тОПр • При этом общее число пакетов фиксированной длины (Ьпак), которые могут быть сформированы из сообщения длиной Ь, опреде-

ляется как

В=

Ь

(1)

т. е. не должно превышать объем буферной памяти, так как, в противном случае, сообщение получает отказ, или должно разбиваться на блоки.

Таким образом, критическую длину сообщения можно определить из соотношения (1) как Ькр= V Ьпак. Для одноканального устройства, как системы массового обслуживания с ожиданием, вероятность получения сообщением отказа в обслуживании в соответствие с [8] равна

р =р"+1(1- Р) < рдоп отк , у+2 _ отк '

1-РУ

(2)

где р —коэффициент загрузкиустройства; X— интенсивность поступления сообщений; д — интенсивность обслуживания; Р^™—допустимое значение вероятности отказа в обслуживании. Решая уравнение (2) относительно V для предельного значения , получим

V =-

1 1п р

здоп

• 1п

1-р(1-РО™)

Критическая длина

сообщения с учетом загрузки устройства и допустимого значения вероятности отказа равна:

т _ ^пак 1п

- 1п р 1П

р доп отк

1-Р(1-рдтп)

(3)

Условие выбора критической длины сообщения (3) не учитывает структуру сети, к которому принадлежит устройство ГК и такие ее показатели, как время задержки сообщения в сети, общий трафик сети, стоимость сети и другие показатели, являющиеся исходными данными при проектировании сети.

5. Этапы работы устройства гибридной коммутации ЦКС

Предложенное устройство ГК ЦКС работает в трех режимах: в режиме КП; в режиме КК; в режиме обучения.

При реализации^еж™« КП, в фазе установления соединения абонентов с устройством между ними происходит диалог, в ходе которого выясняют длину сообщения Ь и адрес вызываемого абонента. В конце этой фазы выбирается метод коммутации посредством анализа длины сообщения и занятости буферной памяти модуля промежуточной памяти 3. Если длина сообщения не превышает критическую величину, т.е. Ь<Ькр, а все буферы канала, установленного для передачи сообщения адресату, свободны, то по команде с выхода элемента сравнения 4.3 модуля идентификации 4 (см. рис. 4) через управляющий выход «режим коммутации» сообщение разбивают на пакеты в модуле промежуточной памяти 3 и передают на информационный вход модуля идентификации и на информационный вход первого элемента И1 (см. рис. 6) электронного ключа 4.5, управляющий вход которого в исходном состоянии находится под высоким потенциалом, снимаемым с инверсного выхода управляющего элемента (триггера) 4.4 модуля идентификации, и далее транслируют через модуль сопряжения с каналами связи 5 в дейтограммном режиме абоненту-получателю. Модуль управления 6 обеспечивает модуль промежуточной памяти 3 информацией, необходимой для формирования заголовков пакетов, размещает пакеты в выделенной части буфера памяти, пересылает адрес буфера в адресный регистр модуля 5, обрабатывающего выходящие линии. В аналогичных устройствах ГК транзитных УК и узла назначения также выделяется необходимый объем буферной памяти для каждого виртуального соединения под пересылку или сборку сообщения соответственно.

Реализация режима КК заключается в следующем. Если длина сообщения превышает пороговую величину, т.е. Ь>Ькр, то независимо от состояния буферной памяти и величины трафика принимается решение об установлении физического соединения и передаче сообщения в режиме КК (см. рис. 7). В этом случае сообщение может быть передано непосредственно в модуль сопряжения с каналами связи 5 путем подачи соответствующего уровня потенциала на второй вход элемента сравнения 4.3 модуля идентификации (см. рис. 4). Функции модуля управления 6 в этом случае сводятся к анализу адресной части сообщения и установлению физического соединения. Если часть буферной

памяти занята и(или) недостаточна для размещения всего сообщения, то принятие решения об использовании метода КК принимается в блоке идентификации 4 в соответствии с выражением L>k-LKp+b путем подачи соответствующих потенциалов на первый и второй входы схемы сравнения 4.3 модуля идентификации.

Режим обучения может включаться заблаговременно на этапе проведения пуско-наладочных работ, или в ходе эксплуатации при отсутствии реального трафика (также при проведении специальных тренировок). Модуль управления 6 устройства ГК ЦКС постоянно контролирует по линиям управления загрузку буферов модуля промежуточной памяти 3 и состояния каналов связи в модуле 5. При построении устройства ГК ЦКС, а также в отсутствии реального трафика для передачи сообщений модуль управления через управляющий выход «включение» включает режимобучения, прикоторомГСТ2моделируются различные режимы нагрузки системы, необходимые в процессе обучения и настройки устройства. При этом для основных типов сетей (ATM, ББНидр.) формируютпоследовательности сообщений, характерные различным видам сетевого трафика (данные, звук, видео и др.). В результате проведения методом статистических испытаний набирают статистику для различных видов трафика ш и типов сетей п в определении критической длины сообщения U^P , влияющую на величины соответствующих ей порогов напряжения Ump Для переключения режимов коммутации. Физический смысл критической длины сообщения заключается в выборе такой длины сообщения, которая при заданном виде трафика не вызывает роста таких показателей как загрузки объема буферов памяти, среднего времени задержки сообщений и вероятности отказа в обслуживании сообщения. При увеличении данных показателей (система близка к блокировке) устройство должно изменить режим КП на режим КК. И, наоборот, при снижении данных показателей (сеть недогружена), режим КК изменяется на режим КП. Массив статистических данных, полученных при моделировании различных типов сетей п и видов сетевого трафика т, сохраняют в модуле промежуточной памяти для последующего исполь-

зования при включении основных режимов работы устройства.

ГСТ 2 предназначен для формирования в режиме обучения для основных типов сетей различных видов современного сетевого трафика. Его схема может быть реализована различным образом, например, как показано на рис. 2. При этом она включает в свой состав: генератор шума (ГШ) 2.1, предназначенный для формирования (генерации) случайных сигналов с основными законами распределения; элемент выборки и хранения (ЭВХ) 2.2, предназначенный для получения мгновенных значений напряжения из случайных сигналов (формируемых ГШ) в заданные моменты времени, и состоит из смесителя и экстраполятора нулевого порядка; элемент сравнения (ЭС) 2.3, предназначенный для сравнения значений напряжений сигналов, подаваемых на его входы и представляющий собой компаратор; генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) 2.4, предназначенный для формирования пилообразного напряжения; регулируемая линия задержки (РЛЗ) 2.5, предназначена для формирования заднего фронта импульса, задержанного по времени на необходимую величину; электронный ключ (ЭК) 2.6, предназначенный для переключения видов формируемых импульсныхпоследовательностей, и содержащий два информационных входа, управляющий вход и информационный выход; перестраиваемый генератор тактовых импульсов (ГТИ) 2.7, предназначенный для генерирования тактовых импульсов с различным периодом следования; управляющий элемент (УЭ) 2.8, предназначенный для формирования выходного искусственного трафика для обучения системы и представляющий собой КБ-триггер.

В режиме обучения предлагаемый ГСТ работает следующим образом. При подаче из модуля управления устройства ГК ЦКС на ГСТ 2 (см. рис. 2) через управляющий вход «включение» управляющего сигнала в двоичном коде «11» происходит включение генератора и, соответственно по управляющему сигналу «00», его отключение. При этом команды включения и выключения параллельно поступают на ГШ 2.1, перестраиваемый ГТИ 2.7 и ГЛИН 2.4. При подаче управляющего сигнала «01» происходит включение режима генерации последовательности импульсов, длительность которых изменяется по случайному закону. На выходе ГСТ 2 формируются импульсы

с фиксированным по положению тактового импульса задним фронтом. Этот случай соответствует сетям SDH (синхронной цифровой иерархии). Временные диаграммы работы устройства представлены на рис. 3. Здесь обозначено: Ux — напряжения на выходе ГШ; Щ — напряжение на выходе перестраиваемого ГТИ; U4 — напряжение на выходе ГЛИН; U2— напряжение на выходе ЭВХ; U3 — напряжение на выходе ЭС; Ц|х1 — напряжение на первом входе УЭ; и6БхЛ — напряжение на первом входе ЭК; Uf2 — напряжение на втором входе ЭК; Ц|ьк' — напряжение на выходе УЭ с фиксированным по положению тактового импульса задним фронтом; U|bK" — напряжение на выходе УЭ с фиксированной на величину задержки задним фронтом импульса; UQ — уровень компарации ЭС, совпадающий с амплитудой линейно изменяющегося напряжения; Ucp — среднее значение случайного процесса; Ut — мгновенное значение случайного процесса; тт — период следования тактовых импульсов; т3 — величина задержки, создаваемая РЛЗ.

Случайный сигнал, с заданным законом распределения (см. Ux на рис. 3) с выхода ГШ 2.1 (см. рис. 2) поступает на вход ЭВХ 2.2, который содержит смеситель и экстраполятор нулевого порядка. Тактовые импульсы (см. U7 на рис. 3), получаемые в перестраиваемом ГТИ 2.7, поступают на управляющий вход ЭВХ 2.2, где «вырезаются» мгновенные значения Ui из случайного сигнала (см. Ux на рис. 3), которые затем экстраполируются (см. U2 на рис. 3) и поступают на первый вход ЭС (компаратор) 2.3, на второй вход которого подаются пилообразные импульсы с выхода ГЛИН 2.4 (см. U4 на рис. 3). Как только линейно изменяющееся напряжение превысит уровень компарации (экстраполированное напряжение), на выходе ЭС выделяется импульс (см. иъ на рис. 3), который передним фронтом переведет управляющий элемент (RS-триггер) 2.8 во второе устойчивое состояние, при этом на его выходе появится высокий потенциал (см. ЩхЛ на рис. 3). Этим самым будет зафиксирован передний фронт импульса, момент появления которого случаен и определяется законом распределения исходного процесса U-v которые легко пересчитываются во временные интервалы, отсчитываемые от начала координат. Положение импульсов на временной оси можно

определить по следующей формуле:

тт I n

" - U01 iU -iU" !■

Следующий тактовый импульс, поступающий с выхода перестраиваемого ГТИ 2.7 через ЭК 2.6, открытый по управляющему сигналу «01» для его второго входа (см. Щх2 на рис. 3), поступает на вход установки в нуль УЭ (RS-триггера) 2.8, который возвращает его в первое (нулевое) устойчивое состояние, при этом на его выходе появится низкий потенциал (см. ЦВых на рис. 3). Этим самым будет зафиксирован задний фронт импульса, момент появления которого фиксирован по положению тактового импульса.

Если на управляющий вход «включение» ГСТ поступает управляющий сигнал в двоичном коде «10», то задний фронт выходного импульса оказывается задержанным на величину т3 (см. цвх.2 на рИС_ а формированные импульсы будут иметь постоянную длительность. Так при т3 =53 байта/Г(бит/с), где 53 байта — длина ячейки ATM, а V— скорость передачи ячейки, можно имитировать технологию асинхронного режима передачи — сеть ATM (см. диаграмму U|x-i нарис. 3).

При этом по управляющему сигналу в двоичном коде «10», поступающему на управляющий вход ЭК 2.6 будет закрыт его второй вход и открыт первый, подключая вход установки нуля УЭ (RS-триггера) к выходу РЛЗ 2.5, на вход которой поступает с выхода ЭС сигнал, идентифицирующий передний фронт импульса (см. Ui на рис. 3). И управляющий элемент будет переходить в первое (нулевое) устойчивое состояние с задержкой т3, а на его выходе появится низкий потенциал, чем будет зафиксирован задний фронт импульса (см. Щъьх" на рис. 3), момент появления которого фиксируется РЛЗ 2.5. Тем самым на выходе ГСТ 2 будет формироваться последовательность одинаковых по длительности импульсов, но моменты появления которых, случайны и определяются законом распределения исходного процесса, который формируется ГШ 2.1.

Поскольку перестраиваемый ГТИ 2.7 и РЛЗ 2.5 имеют возможность настройки, а ГШ можно задавать случайные сигналы, с основными законами распределения, то можно добиться

любой длительности генерируемых сообщений, передаваемых с различной частотой следования, подчиняющихся необходимому закону распределения.

Таким образом, система может быть настроена на моделирование основных типов трафика и видов сетей, что и достигает поставленную цель и может использоваться при проектировании, испытании ТКС, а также в ходе обучения (настройки) УК и модулей системы и для прогнозирования нагрузки на них без привлечения пользователей (абонентов).

Модуль идентификации 4 предназначен для формирования решения на осуществление режима КК или режима КП с учетом длины передаваемого сообщения, объема загрузки буферов памяти и текущего состояния каналов. Его схема может быть реализована различным образом, например, как показано на рис. 4. При этом она включает в свой состав: цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 4.1, предназначенный для преобразования двоичного кода в напряжение; вычислитель порога (ВП) 4.2, предназначенный для вычисления значения уровня порогового напряжения для переключения режимов коммутации с учетом занятого сообщением объема памяти в модуле промежуточной памяти; (ЭС) 4.3, предназначенный для сравнения значений напряжений сигналов, подаваемых на его входы и представляющий собой компаратор; управляющий элемент (УЭ) 4.4, предназначенный для формирования управляющего сигнала на включение режима КК или режима КП и представляющий собой КЗ-триггер; электронный ключ (ЭК) 4.5, предназначенный для переключения режимов коммутации.

При этом выход ЦАП 4.1 подключен к первому входу ЭС 4.3, второй вход которого соединен с выходом ВП 4.2, а выход является

управляющим выходом «режим коммутации» модуля 4 и подключен к первому входу УЭ 4.4, второй вход которого является управляющим входом «установка 0» модуля 4, а первый и второй выходы являются первым и вторым входами ЭК 4.5, информационный вход которого соединен с информационным входом модуля 4. Управляющие входы ЦАП 4.1 и ВП 4.2 являются управляющими входами соответственно «длина сообщения» и «величина порога» модуля 4, а информационные выходы ЭК 4.5 являются информационными выходами «КК» и «КП» модуля 4.

В качестве ВП 4.2 (см. рис. 5) может быть использованы ЦАП 4.2.1, соединенный своим входом с входом ВП 4.2, первым своим выходом подключен к первому входу напрямую, а вторым входом — через дифференцирующий элемент 4.2.2 к второму входу суммирующего усилителя 4.2.3, выход которого является выходом ВП 4.2.

В качестве ЭК 4.5 (см. рис. 6) могут быть использованы два логических элемента И (И1 и И2) информационные входы которых подключены к информационному входу ЭК модуля идентификации 4, информационные выходы «КК» и «КП» — к одноименным информационным выходам ЭК и модуля идентификации, а управляющие первый и второй входы ЭК, поступающие соответственно на второй и первый логические элементы И соединены с прямым и инверсным выходами КЗ-триггера УЭ 4.4 модуля идентификации.

Предлагаемый модуль идентификации работает следующим образом. Если информация о длине сообщения (Ь) и пороговое значение (Ьпор) задаются в двоичном коде, то в примере реализации блока идентификации 4 на рис. 4 ЦАП4.1и4.2.1 соответственно модуля идентификации и его ВП 4.2 (см. рис. 5) непосредственно преобразуют код в напряжения, которые

сравниваются в ЭС 4.3 модуля идентификации. Если же значения Ь и Ьпор задаются каким-либо иным кодом, то перед ЦАП 4.1 и 4.2.1 необходимо поставить дешифраторы, преобразующие этот код в двоичный.

Код, соответствующий длине передаваемого сообщения, поступает на вход ЦАП 4.1 по окончании диалога, в то время как на вход ЦАП 4.2.1 ВП 4.2 поступают текущие значения Ьпор, вычисляемое модулем управления 6 (см. рис. 1) в течение всего времени функционирования устройства с учетом состояния буферов памяти в модуле промежуточной памяти 3.

Если истинная длина сообщения, преобразованная в напряжение ЦАП 4.1 модуля идентификации 4, превысит порог Ипор = аЬпор, где а — коэффициент передачи ЦАП, то на выходе ЭС4.3 появится высокий потенциал, прикотором УЭ 4.4 (триггер) перейдет во второе устойчивое состояние и на его прямом выходе появится высокий потенциал. Первый элемент И1 ЭК 4.5 (см. рис. 6) закроется, а второй элемент И2 ЭК 4.5 откроется. Модуль идентификации 4 готов к передаче сообщения из модуля промежуточной памяти 3 в модуль сопряжения с каналами связи 5. После установления сквозного канала до адресата устройство ГКЦКС инициирует передачу сообщения. В противном случае, если соединение не установлено, абонент получает отказ.

Учет динамики изменения трафика поступающих на обслуживание сообщений в схеме на рис. 4 реализован в ВП 4.2 на

суммирующем усилителе (см. рис. 5), на один вход которого подается Ипор, а на второй вход — его производная дЦпор/д^, знак которой повышает или снижает порог Ипор в зависимости от того, увеличивается или уменьшается число занятых буферов в данный момент в модуле промежуточной памяти, изменяя тем самым соотношение между обоимирежимамикоммутации (см. рис. 7).

После передачи сообщения УЭ 4.4 возвращается в исходное состояние, например, путем подачи сигнала «установка 0» на его Я-вход из модуля управления 6 через управляющий вход «установка О».

Таким образом, согласно рис. 7, при длинных сообщениях и увеличивающемся трафике будет преобладать метод КК и, наоборот, если в устройство будут поступать короткие сообщения при сильно пульсирующем трафике, передачу сообщений целесообразно осуществлять с использованием метода КП. Использование того или иного режима определяется выбором величины Ькр. Если число занятых буферов (у3) и величина 6 могут контролироваться в пределах данного устройства ГК ЦКС или во всей сети в зависимости от принятого метода маршрутизации, то критическая длина сообщения (Ькр) является проектным параметром и устанавливается на стадии проектирования конкретной устройства сети, или методом статистических испытаний в режиме обучения с использованием предложенного ГСТ.

6. Оценка эффективности заявленного способа

Исследования, проведенные в [9], позволяют осуществить более обоснованный выбор Ькр и расчет основных вероятностно-временных характеристики показателей сети. Минимальное среднее время задержки сообщения может быть вычислено из соотношения

1 C

Тmin _ '-'зад

Т ср " у k

V Svy

(4)

opt

где у — общий трафик; Сзад — заданная стоимость передачи единицы количества информации; к — коэффициент пропорциональности; для полностью загруженной системы, когда р=1 соотношение в скобках равно

(s;/ Sv)

p=i

1 + 2 + ... + (v + 1) 1 + 1 + ... + 1

v+2

(v + 1)(v + 2) v + 1

(5)

2(v + 2)

2

при этом учтено, что числитель 1 + 2 + ... + (у + 1) =

( у + 1)( V+ 2)

=--- — есть сумма арифметическои

прогрессии.

Тогда оптимальное значение равно

У v Vopt

Z (k+1)р;

к=0_

v+1

V ck 2—i Ропт

к=0

к

опт

Данное условие определяет оптимальное значение коэффициента загрузки устройства гибридной коммутации ропт = C3agjkr, обеспечивающее минимальное значение среднего времени задержки сообщений в виде выражения (4). Здесь r — общее число узлов сети, влияющее на количество выходных линий. При этом 0 < ропт < 1. Аусловие (5) соответствует максимальному значению задержки сообщения при г = 1, и не зависит от стоимости устройства и

сети Гз<Г = ^ • ^

зад у 2

Кривые зависимостей Т^р™ = f(ропт) и

Ротк =ф(ропт), построенные в соответствии с выражениями (4) и (2), приведены на совмещенном графике рис. 8 и подтверждают предположение о том, что использование в системе бесконечного числа буферов позволяет получить верхнюю границу для задержки, которую можно достичь при конечном числе элементов буферной памяти, при этом задержка в системе без буферов дает нижнюю границу для задержки большого разнообразия систем множественного доступа с буферизацией и управляемым потоком.

Анализ полученных результатов показывает,

(т-rmin

Т =

1,8с), соответствующая р' t =0,6 и v = t», (точка А) может быть достигнута при более высоком трафике поступающих на обслуживание заявок (popt =0,78 и v = 3) при ограниченном числе буферов в модуле промежуточной памяти устройства ГК ЦКС (точка В). При этом вероят-

МБЛН 01? соммишслткж Б(.)иГ1]Е>:М/1:БТ«ГТ. Iss. 1 (141). 2018

*

ность отказа Р = 0, 12, что приблизительно соответствует значению ~10 % и является вполне приемлемым [3].

Аналитические расчеты подтверждают, что при ужесточении требования к вероятности отказа значение Р^™ =0,01 может быть достигнуто при количестве буферов v=20 и коэффициенте загрузки Рор1 = 0,9. При этом для сложной сети, например, содержащей 1 = 40 УК, и напряженном трафике у = 36 пакетов/с, среднее время задержки сообщений будет равно Тт1П =7 с. В соответствии с (3) критическая длина сообщения для заявленного устройства ГК ЦКС будет равна Ькр = 20480 бит при длине пакета = 1024 бит.

Вывод

Исходя из примера расчета критической длины сообщения и оценки эффективности предложенного способа, реализованного на устройстве гибридной коммутации цифровых каналов связи, генераторе сетевого трафика и модуле идентификации позволяет при заданной стоимости передачи единицы информации осуществить выбор числа элементов буферной памяти и оптимального значения сетевого трафика, обеспечивающего минимальную среднюю задержку передачи сообщений и допустимую вероятность отказа в обслуживании поступающих от абонентов заявок, а также подтверждает целесообразность передачи длинных сообщений методом коммутации каналов, а коротких — методом коммутации пакетов, поскольку обеспечивает сохранение масштаба времени и служит достижению указанных целей способа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Самойленко С. И. Метод адаптивной коммутации // Электросвязь, 1981. — №6.

2. Jenny Christian J., Kummerle Karl, Burge Helmut. Network node with integrated circuit /Packet switching capabilities. — "Communes. Networks Eur. Comput. Conf., London, 1975". Oxbridge, 1975, 207-228.

3. Баркун M. А., Ходасевич О. P. Цифровые системы синхронной коммутации. — Москва: Эко-Трендз, 2001.

4. Будко П. А., Федоренко В. В. Управление в сетях связи. Математические модели и методы оптимизации. — М.: Физматлит, 2003. — 226 с.

5. Фомин Л. А., Будко П. А. Эффективность и качество инфокоммуникационных систем. Методы оптимизации. — Москва: Физматлит, 2008. — 296 с.

6. Патент РФ №2450335 Кл. ООбЕ 15/00, 005В 23/00. Опубликован 10.05.2012 Бюл. №13.

7. Мизин И. А., Богатырёв В. А., Кулешов А. П. Сети коммутации пакетов / Под ред. В. С. Семенихина. — М.: Радио и связь, 1986. — 408 с.

8. Вентцель Е. С. Исследование операций. — М.: Наука, 1989. - 552 с.

9. Будко П. А. Управление ресурсами информационно-телекоммуника-ционных систем. Методы оптимизации. — Спб.: ВАС, 2012. — 512 с.