Исследование вероятностно-временных характеристик региональных сетей, построенных на базе технологии устойчивых пакетных колец

Актуальность работы. Волоконно-оптические кольца уже давно являются обязательной частью структуры территориально распределенных сетей (WANWorldwide Area Network) и, особенно, больших городских сетей (сетей MAN — Metropolitan Area Networks, известных также как сети Metro). Эффективность кольцевых структур сегодня является общепризнанной, однако, основное применение колец в крупных городских сетях состоит в использовании колец для организации магистральных сегментов телефонных сетей общего пользования (ОП) — сетей, построенных на базе технологии коммутации каналов.

В основе разделения ресурсов на физическом уровне в современных кольцевых сетях лежит технология SDH — технология синхронного временного разделения каналов (TDM — Time Division Multiplexing), которая может быть эффективной только в условиях гладкого трафика и становится ограничивающим фактором при необходимости масштабирования как ресурсов, так и услуг.

В последние несколько лет в связи с конвергенцией телефонных сетей общего пользования и сетей Интернет возникла концепция построения сетей следующего поколения (сетей NGN), в которой предполагается применять на сетевом и транспортном уровне IP-ориентированные протоколы. Если эта идея будет реализована (а сегодня пока нет причин сомневаться в этом), это будет означать смену парадигмыуход от сетей ОП на базе коммутации каналов к сетям ОП на базе коммутации пакетов. Однако при использовании популярных сегодня кольцевых топологий, протоколы которых выбирались с учетом специфики сетей с коммутацией каналов, могут возникнуть проблемы, связанные с трудностями оптимизации и масштабирования кольцевых структур для пакетных сетей NGN.

Построение сетей NGN является проблемой хотя и близкого, но будущего. Другая, более насущная проблема — как совместить две широко используемых технологии — SDH и Ethernet. Практически, за последние 20 лет технология Ethernet превратилась в стандарт de facto при передаче данных в локальных сетях, а с появлением технологий семейства Gigabit Ethernet — и в сетях класса Metro. Широкое применение сетей Ethernet в сетях LAN и MAN определяется, в первую очередь, их высокими экономическими показателями в пересчете на стоимость передачи одного мегабита. Трафик Ethernet переносится сегодня непосредственно через высоконадежную транспортную среду SDH, которая, как было отмечено выше, оптимизирована для транспортировки голосового трафика и не способна обеспечить эффективные решения для существенно пачечного трафика в силу своей статической природы и негибких принципов управления пропускной способностью.

С развитием сетей на базе IP требования к ресурсам, необходимым для доставки новых услуг, непрерывно растут. Продвижение на рынок услуг, жестко связанных с величиной необходимой полосы пропускания, заставляет сервис-провайдеров отказываться от классических моделей обслуживания, базировавшихся только на величине ресурса, и развивать модели, определяемые видом трафика (речь, данные, видео). Такой подход приводит к необходимости создания новых технологий доступа к разделяемой среде. Эти технологии должны учитывать особенности структуры трафика, обладать свойствами отказоустойчивости, обеспечивать возможность динамического управления транспортными ресурсами и быть экономически эффективными.

В конце 2000 г. в институте IEEE была создана рабочая группа 802.17, которая начала разработку спецификации транспортной технологии для кольцевых структур в пакетных сетях. Эта технология получила название технологии устойчивых пакетных колец (Resilient Packet Ring, RPR). Основной целью разработки новой технологии было создание возможностей развертывания отказоустойчивых пакетно-ориентированных сетей класса Metro, которые могут обеспечить экономически эффективную транспортировку пачечного трафика, в первую очередь трафика Ethernet, через кольцевые топологии на базе SDH.

Следует отметить, что все научные исследования, выполненные специально созданным комитетом RPR (RPR Alliance), сводятся лишь к имитационному анализу на основе специализированных пакетов прикладных программ, таких как Opnet Modeler системного решения компании Cisco — технологии DPT, при полном отсутствии аналитических исследований технологии RPR. Среди работ в этом направлении отметим имитационные исследования сотрудников компании Cisco и членов рабочей группы по стандартизации технологии RPR: L. Byoung-Joon, G. Peng и J. Lemon. Однако все компании-производители, члены комитета RPR, признают, что эффективное построение сетей класса Metro возможно только при детальном исследовании технологии RPR, поэтому аналитические исследования в этом направлении являются актуальными. В числе авторов, получивших важные результаты в решении задач анализа вероятностно-временных характеристик (ВВХ) отметим отечественных и зарубежных исследователей Г. П. Захарова, В. М. Вишневского, Г. Г. Яновского, N. Uzun и др.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является создание методов оценки характеристик региональных сетей RPR и их элементов и разработка к построению эффективных сетей RPR. Поставленная цель обусловила необходимость решения следующих основных задач: разработка аналитической модели коммутатора RPRразработка аналитической модели сети RPRразработка механизма ограничения входного буфера при взаимодействии нескольких сетей RPRанализ методов управления канальными ресурсами в сетях RPR со спектральным разделением каналов.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели в качестве аппарата исследования использованы методы теории массового обслуживания, теории вероятностей, теории графов и математической статистики, общей теории транспортных сетей.

Для численных расчетов использовались следующие программные средства: Advanced Grapher 2.06,3D Grapher 1.2, Qnat и Qts plus, Mathematica.

Научная новизна определяется следующим: получены оценки вероятностно-временных характеристик устройств и сетей RPR в целомразработан механизм управления входным буфером коммутатора при взаимодействии сетей RPRразработан подход к применению в сетях RPR известных алгоритмов назначения длин волн магистральных сетей SDH/DWDM (Synchronous Digital Hierarchy/Dense Wave Division Multiplexing).

В процессе проведения исследований были получены следующие научные результаты: оценки среднего времени ожидания в коммутаторе RPR для различных типов трафикаоценки среднесетевой межконцевой задержки в сети RPRопределение оптимальной длины кадра по критерию максимизации эффективной скорости передачиграницы применимости алгоритмов назначения длин волн в сетях RPR с целью минимизации задержки протокольных блоков, а также разработан метод управления входным буфером коммутатора при взаимодействии сетей RPR и определены параметры, обеспечивающие максимизацию производительности коммутатора.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

Представленные результаты диссертационной работы могут быть использованы проектными организациями связи при проектировании современных волоконно-оптических кольцевых сетей класса Metro для проведения инженерных расчетов ВВХ и определения стратегии управления сетевыми ресурсами.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в ФГУП ЛОНИИС, ОАО Типросвязь СПб" и СПБ ГУТ имени проф. М.А.Бонч-Бруевича, что подтверждается актами о внедрении.

Апробация работы. Результаты диссертации были представлены и обсуждались на следующих семинарах и конференциях:

1. The 8th International Conference on Informational Networks, Systems and Technologies. ICINSAT — 2002. Saint-Petersburg, September 16 — 19, 2002.

2. Международный семинар «Telecommunication networks and teletraffic theory», Санкт-Петербург, ЛОНИИС, 29 Января — 1 Февраля, 2003 г.

3. 2003 Saint-Petersburg IEEE Chapters Conference, SPb-IEEE Con'03. Saint-Petersburg, June 10−11,2003.

4. Научный симпозиум Технологического Университета Мюнхена и СПб ГУТ. Санкт-Петербург, 19−20 июня, 2003, а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в 2002;2003 гг.

По результатам проведенных исследований сделано 6 докладов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель коммутатора RPR.

2. Математическая модель сети RPR.

3. Метод управления входным буфером при взаимодействии сетей RPR.

4. Применение алгоритмов назначения длин волн, разработанных для магистральных сетей SDH/DWDM, в сетях RPR.

Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной. работе, получены автором самостоятельно.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 128 страницы машинописного текста, 49 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 69 наименований.

Выводы.

1. Предложен подход к проектированию колец сетей RPR, имеющих различные логические топологии, образованные путем применения спектрального мультиплексирования (технология DWDM). Задача минимизации среднесетевой задержки решена путем выбора соответствующего диаметра логической топологии RPR, получаемого при применении двоичного алгоритма, алгоритма частичного параметра или уточненного алгоритма частичного параметра. Аналогичная задача решена для физической топологии шины, образуемой в сети RPR в результате срабатывания механизма защиты.

2. Полученные оценки сверху диаметров логических топологий при применении различных алгоритмов распределения и назначения длин волн позволяют определить границы применимости каждого алгоритма в рамках которых применение алгоритма гарантирует минимизацию диаметра логической топологии и следовательно минимизацию среднесетевой задержки. Это позволяет выбрать соответствующий алгоритм распределения и назначения длин волн.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработана аналитическая модель коммутатора для сетей RPR, основанная на теории приоритетных СМО. Получены оценки среднего времени ожидания в коммутаторе RPR для транзитного трафика и трафика, генерируемого коммутатором. Проведено сравнение результатов аналитического и имитационного моделирования и показано, что представленная аналитическая модель позволяет получить достаточно точные данные, особенно при низких и средних нагрузках. При нагрузках р, близких к единице, различия результатов имитационной и аналитической моделей могут иметь порядок 20%.

2. Исследована модель взаимодействия сетей RPR. Показана необходимость введения в коммутатор механизма ограничения входного накопителя для борьбы с перегрузками. Предложен механизм управления входным буфером, основанный на выборе оптимального числа мест ожидания, и установлено количество мест в буфере, при котором производительность узла достигает максимального значения.

3. На основе теории открытых сетей массового обслуживания разработана аналитическая модель сети RPR. Получена оценка межконцевой среднесетевой задержки в сети RPR. Эта оценка базируется на теореме о мультипликативной форме выражения для вероятности стационарного состояния сети (Теорема ВСМР).

4. На основе разработанной модели сети массового обслуживания решена задача определения оптимальной длины кадра по критерию максимизации эффективной скорости передачи для случаев наличия и отсутствия ошибок в тракте передачи.

5. Предложен подход к проектированию колец сетей RPR, имеющих различные логические топологии, образованные путем спектрального разделения каналов (технология DWDM). Решена задача минимизации среднесетевой задержки путем выбора соответствующего диаметра логического кольца RPR. Аналогичная задача решена для физической топологии шины RPR.

6. Полученные результаты диаметров логических топологий при применении различных алгоритмов позволяют определить границы применимости каждого алгоритма и выбрать соответствующий алгоритм распределения и назначения длин волн.