Разработка метода исследования трафика мультисервисных сетей на основе анализа распределения числа заявок на интервалах обслуживания

Телекоммуникационные технологии в последние годы переживают масштабные перемены, связанные с интеграцией сетей и услуг связи. Появляются новые сервисы, традиционные сервисы и услуги переходят на платформу 1Р, количество потребителей таких сервисов растет очень высокими темпами. По данным Минкомсвязи России рост числа пользователей сети Интернет в России за 2008 г. составил 34%, в 2009;2010 гг. рост несколько замедлился, однако, общее число пользователей, по данным специалистов, к концу 2010 г. достигло 45 миллионов человек. Более 15 миллионов домохозяйств по всей России используют широкополосный доступ (ШПД) в сеть Интернет, и по прогнозам аналитиков, это число к 2012 г. увеличится до 25 миллионов. Появление новых инфокоммуникационных услуг и сервисов вызвало развитие технологий, в которых на первое место встают вопросы качества предоставления услуг.

Для решения проблем анализа телекоммуникационных систем необходимо располагать соответствующими моделями и инженерными методами, позволяющими на основе данных измерений оценивать качество предоставления услуг и прогнозировать характеристики их работы. Для этого широко применяется теория систем массового обслуживания (СМО). Указанным вопросам посвящены фундаментальные работы таких авторов как Л. Кпейнрок, С .А. Майоров, Т. Л. Саати, Е. С. Вентцель, А. Л. Лифшиц, А.К.

Эрланг и ряда других.

Ведущее место в общей математической модели СМО занимает модель входящего потока заявок, поступающих в систему на обслуживание (модель трафика). От правильного выбора этой модели зависит точность расчета основных характеристик СМО, определяющих работу системы в целом. Однако, из-за отсутствия адекватных моделей трафика таких сетей часто для анализа и синтеза упрощенно, и со значительной потерей точности используют пуассоновскую модель .

Проблемы построения мультисервисных сетей и анализа трафика активно исследовались в работах отечественных и зарубежных авторов (В.М. Вишневский, Б. Со Гольдштейн, А. Е. Кучерявый, В. Н. Тарасов, О. И. Шелухин, А. П. Пшеничников, W.E. Leland, M.S. Taqqu, W. Willinger, D.V. Wilson и др.).

Увеличение объема предоставляемых услуг приводит к необходимости быстрой реорганизации сети, появлению новых абонентов и перераспределению нагрузок. Все это вызывает необходимость быстрой оценки требуемой пропускной способности интерфейсов доступа. Применявшиеся ранее формулы оценки размеров очередей пригодны исключительно для пуассоновских потоков, и, при расчетах трафика, дают погрешности превышающие 100 — 200%.

В этих условиях разработка новых методов анализа трафика мультисервисных сетей, обеспечивающих простоту расчетов и их приемлемую точность, становится особенно актуальной.

Цель работы.

Разработка интервального метода определения характеристик трафика и показателей производительности мультисервисных сетей.

Основные задачи исследования: разработать метод анализа трафика мультисервисных сетей на основе распределения вероятностей числа заявок СМО на интервалах обработкиполучение аналитических соотношений для потоков заявок общего вида, обобщающих формулы определения размера очередей СМОразработать модели трафика мультисервисных сетей, на основе анализа числа пакетов, поступающих в СМО за интервал обслуживанияразработать алгоритмы определения параметров мультисервисного трафика методами имитационного моделированияразработать программный комплекс и получить результаты экспериментального исследования характеристик реального трафика мультисервисных сетей.

Методы исследования. Основные теоретические и экспериментальные исследования диссертационной работы выполнены с применением методов теории вероятностей, математической статистики, теории телетрафика, теории случайных процессов, вычислительных методов, реализованных в пакете МаНаЬ, и имитационного моделирования.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов подтверждается корректностью постановки задачи, применением строгого математического аппарата, а также сравнением результатов с результатами, полученными с помощью известных моделей.

Научная новизна работы. предложен интервальный метод анализа трафика мультисервисных сетей на основе распределения вероятностей числа заявок СМО на интервале обработкиполучены аналитические соотношения, обобщающие формулы определения размера очередей СМО для потоков заявок общего видаразработаны модели трафика мультисервисных сетей на основе анализа числа пакетов, поступающих в СМО за интервал обслуживанияразработаны алгоритмы определения основных параметров трафика методами имитационного моделирования.

Практическая ценность.

Предложенный в работе метод позволяет преобразовать известные соотношения теории телетрафика, используемые при работе с пуассоновскими потоками и применить их для анализа трафика общего вида.

Разработанные методы и модели трафика мультисервисных сетей позволяют произвести оценку их производительности с учетом неоднородности входящих потоков заявок.

Разработанные рекомендации позволят повысить производительность и устранить возможные перегрузки оборудования мультисервисных сетей в процессе их эксплуатации и реорганизации.

Основные положения, выносимые на защиту: метод анализа трафика мультисервисных сетей на основе распределения вероятностей числа заявок СМО на интервале обработкианалитические соотношения, обобщающие формулы определения размера очередей СМО для потоков заявок общего видамодели трафика мультисервисных сетей на основе анализа числа пакетов, поступающих в СМО за интервал обслуживанияалгоритмы определения основных параметров трафика методами имитационного моделированияпрограммный комплекс и результаты экспериментального исследования характеристик реального трафика мультисервисных сетей.

Внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы внедрены в ООО «Инфо-Лада» г. Самара и в учебный процесс кафедры МСИБ ГОУ ВПО ПГУТИ, что подтверждено актами внедрения.

Апробация работы.

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на XIV Международной научно-технической конференции «Радиолокация. Навигация. Связь» (Воронеж, 2008 г.), на IX и X Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Казань, 2008;2009 г.), на IV Международной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники, телекоммуникаций и приборостроения», на XV, XVI, XVII Российской научной конференции, (ПГУТИ 2009 г, 2010 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 19 опубликованных работах. Публикации включают 3 работы в изданиях из перечня ВАК, 3 статьи, 1 публикация трудов международных научных конференций, 12 тезисов докладов.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы.

Вывод.

Результаты эксперимента показывают возможности методики анализа трафика, основанной на формуле Хинчина-Поллячека. Выведенные таким образом коэффициенты аппроксимации представляют собой некоторые параметры, характеризующие мультисервисный трафик. Более того именно такой подход к аппроксимации позволяет сделать вывод о применении этих коэффициентов с целью определения коэффициентов «суммарного» потока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Цель диссертации — исследование и разработка методов анализа, синтеза телекоммуникационных передающих устройств с использованием инструментальной среды визуального моделирования МаЛаЬ.

Поставленные в диссертации задачи решены, цель достигнута, получены следующие результаты.

1. Разработан новый метод получения и обработки характеристик мультисервисного трафика на основе анализа числа пакетов, поступающих в СМО за интервал обслуживания.

2. Получены аналитические соотношения для основных характеристик трафика, позволяющие более чем на порядок повысить точность определения размера очередей в буферах коммутаторов мультисервисных сетей.

3. Разработанные алгоритмы и программный комплекс, позволили определить характеристики реального трафика при произвольных законах распределения временных интервалов между событиями во входном потоке.

4. Разработанная методика сбора и обработки статистической информации применялясь на этапе обследования 1Р сети Оренбургского Государственного Университета, а также на базе доступа к оборудованию и узлам оператора ООО «Инфо-Лада». Эксперимент показал эффективность использования созданного программно-технического комплекса при модернизации указанных сетей и изменении их нагрузочных характеристик.