Разработка методов расчета транспортных систем цифровых сетей связи интегрального обслуживания

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года», принятых ХХУ1 съездом КПСС, перед связистами нашей страны поставлены задачи «обеспечить более полное удовлетворение потребности народного хозяйства и населения в услугах связи, повысить их качество. Продолжить формирование единой автоматизированной сети связи страны на базе новейших систем передачи информации,.

Развитие микроэлектроники и вычислительной техники положило начало в 60-х годах созданию цифровых сетей интегрального обслуживания (ЦСИО) >

2], которые в отличие от отдельных сетей, спроектированных для обслуживания определенного вида трафика, позволяют вне зависимости от способа комь^утации передавать разнородную информацию (речь, данные, факсимиле, файлы и др.) единым образом в общей цифровой среде и наиболее полно использовать физические ресурсы сети (в частности, пропускную способность каналов связи, вычислительную мощность и память центров коммутации) разнородными пользователями на коллективной основе. Появившийся в последнее время термин «цифровая сеть интегрального обслуживания» подчеркивает тот факт, что с точки зрения пользователей сети на первый план выдвигаются функциональные возможности сети, а не способы реализации отдельных услуг по транспортировке разнородного трафика. С этой точки зрения в качестве ЦСИО может выступать и сеть с коммутацией каналов лишь бы она была способна удовлетворить пользователя по организации различных видов связи. В частности, интегральная цифровая сеть связи (ИЦСС) есть одна из возможных реализаций ЦСИО, построенная на базе ИКМ трактов и электронных станций комцутации каналов.

Конечными целями интеграции являются:

— предоставление пользователям множества существующих и новых услуг (передача речи, данных в диалоговом режиме, файлов, телеграфных сообщений, телеметрии, факсимиле, видеотелефонных сооб шений, электронная почта и т. д.) ;

— обеспечение широкого диапазона гибкости и многофункциональности терминальных соединений;

— обеспечение высокой степени интеграции электронных компонент ;

— обеспечение высокой эффективности использования физических ресурсов сети связи;

— объединение эксплуатации, технического обслуживания и административного управления в целом.

Создание ЦСИО, которые предоставляют пользователям ряд новых услуг связи, обеспечивают соединение самых различных терминалов и имеют более высокие характеристики по использованию основных физических ресурсов сетей связи в сравнении с существующими раздельными сетями — является актуальной задачей.

Основной задачей ЦСИО является обеспечение интегрального обслуживания разнородных потоков нагрузки, поступающих на вход ее транспортной системы (ТС), которая отвечает за своевременную и качественную доставку информации в сети. С точки зрения представления физических ресурсов сети пользователям при поддержании сеансов связи возможны три стратегии построения ТС ЦСИО — I) с «жестким» закреплением их за соединением на время сеанса связи. Наиболее типичной системой этого класса является ТС, построенная на использовании метода комцутации каналов (КК) — КГС. 2) с «нежестким» закреплением этих ресурсов за соединением, например, -пакетная ТС (ПТС) и 3) комбинированным (гибридным) закреплением физических ресурсов за соединением — ГТС.

Для аналитического исследования процессов, протекающих в сети, трафик, циркулирующий в ЦСИО, можно разбить, по крайней мере, на два класса — трафик 1-го класса (цифровая речь, телеметрия, факсимиле и т. д.), требующий изохронной передачи (в пределах определенного доцуска) в масштабе реального времени и трафик 2-го класса (интерактивные данные, файлы, телеграфные сообщения и т. д.), доцускающий задержки информации в сети и не требующий изохронной передачи. Характеристики трафиков различных классов в ряде моментов противоречивы. В дальнейшем, из большого набора типов разнородных трафиков двух классов будем рассматривать наиболее типичные их представители — цифровую речь и интерактивные данные. В соответствии с этим, целесообразно рассмотреть различные подходы к интегральному обслуживанию разнородных потоков, уделив особое внимание таким ЦСИО, которые, с одной стороны, обеспечивают малые постоянные и переменные составляющие сетевой задержки (достоинство обычной КК), а с другой стороны, — позволяют эффективно использовать сетевые ресурсы (достоинство классической комь$утации пакетов — КП) для обоих видов трафика.

В настоящее время отсутствуют общие принципы проектирования ЦСИО, базирующиеся на системной подходе к рассматриваемо^ вопросу, которые позволили бы создать достаточно универсальные инженерные методы анализа и синтеза различных реализаций ЦСИО. Большое разнообразие реализаций физических структур ЦСИО требует выработки специальной единой терминологии для их описания. Такая терминология должна быть достаточно универсальной и позволять описывать на ее основе разнообразные сетевые ус^ги, необходимые для удовлетворения потребностей широкого класса пользователей.

В качестве методологической основы для такого системного подхода предлагается использовать терминологию и принципы, сформулированные в модели архитектуры открытых систем, разработанной для формализованного описания распределенных вычислительных систем. Под архитектурой ЦСИО будем понимать упорядоченный набор необходимых услуг, протоколов и их программных реализаций, которые должны выполняться сетью для целенаправленного интегрального обслуживания разнородных компанентов прикладного уровня (виртуальных терминалов, файлов, банков данных, прикладных программ, аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и т. д.). Особенности архитектуры ЦСИО пораждаются присутствием на ее входе, по крайней мере, двух классов трафика. Как показало проведенное исследование, непременным атрибутом архитектуры ЦСИО является уровень совмещения разнородного трафика. Как правило, этот уровень располагается между физическим и канальным уровнями, формируя тем самым восьмиуров-невую модель архитектуры ЦСИО, содержащую следующие логические уровни: I) физический 2) совмещения 3) канальный 4) сетевой 5) тран спортный 6) сессий 7) представительный 8) прикладной. Первые пять уровней образуют логическую среду доставки разнородного трафика, или архитектуру ЦСИО. Все уровни архитектуры ЦСИО, кроме первых двух, содержат функции, дифференцированные по классу трафика. В рамках вышеизложенной концепции эффективность сети предлагается оценивать набором коэффициентов использования пропускной способности линейных цифровых трактов (ЛЦГ) ТС ЦСИО разнородным трафиком применительно к каждой паре отправитель-получатель при заданных условиях передачи (например, при фиксированной вероятности превышения заданного времени доставки информации или при фиксированном среднем времени пребывания потока данных в сети и т. д.).

Целью исследования данной работы является создание инженерных методик анализа и синтеза транспортных каналов основных классов транспортных систем ЦСИО и формулировка рекомендаций по выбору реализаций соответствующих ТС для конкретных условий проектирования. Указанные методики строятся применительно к однородным ЦСИО, для которых расчет основных числовых характеристик ТС сводится к расчету характеристик «типичного» для сети транспортного канала. Однородные сети являются моделями некоторых ведомственных систем связи.

По данной проблеме проводятся исследования рядом зарубежных авторов и авторами в нашей стране: Б. Годцом, Л. Кпейнроком, М. Россом, А. Тебботом, Н. Джитманом, X.ФренкомА.А.Амосовым, Г. П. Захаровым, G.И.Самойленко, И. А. Мизиным, С. П. Бинником, А.А.Ага-яном, О. С. Чугреевым и др.

Научная новизна исследований данной работы состоит в нижеследующем:

— впервые предлагается в качестве базы системного подхода к разработке общих принципов проектирования ЦСИО использовать язык и принципы формализованного описания объектов в терминах архитектуры открытых систем, разработанные ISO для распределенных вычислительных систем;

— исходя из указанных принципов, предлагается в 7-уровневую модель архитектуры открытых систем связи, моделирующую ЦСИО, ввести дополнительный уровень совмещения разнородного трафика;

— детализируются функции и форматы протокольных блоков ПТС и среднескоростных ГТС применительно к первым пяти уровням архитектуры ТС с учетом типа трафика;

— вводятся три основных типа ТС ЦСИО, и предлагаются математические модели для расчета основных характеристик транспортных каналов ПТС и среднескоростных ГТС;

— с учетом архитектуры ТС ЦСИО вводятся новые функционалы для оценки работы ПТС и среднескоростных ГТС — общие коэффициенты использования процускной способности ЛЦГ трафиками речи и данных при конкретных условиях передачи;

— строятся методики нахождения оптимальных длин основных протокольных блоков ПТС и среднескоростных ГТС с учетом их архитектуры ;

— строится инженерная методика синтеза транспортных каналов минимальной производительности для заданных величин трафиков речи и данных применительно к ТС всех трех типов (КГС, ПГС, ИГО, позволяющая сравнить различные ТС по затратам на аренду каналов связи первичной сети;

— описываются специальные логические методы повышения эффективности использования процускной способности ЛЦГ в ПГС и средне-скоростной ГТС в условиях различного качества дискретных каналов связи между смежными УК;

— на основе проведенных исследований разработаны элементы САПР для основных типов ТС ЦСИО применительно к конкретным условиям проектирования.

Рассматриваемые в работе задачи решаются с помощью теории вероятностей, теории массового обслуживания, функционального анализа, вычислительной математики.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные методики анализа и синтеза транспортных каналов ТС ЦСИО носят общий характер и позволяют применять их для любой физической реализации ЦСИО, использующей различные принципы коммутации: каналов, сообщений, пакетов и т. д.

Разработанные алгоритмы обеспечивают возможность учета большого количества параметров составляющих ТС в их взаимосвязи и взаимообусловленности для конкретных условий проектирования.

На основе полученных в работе теоретических и экспериментальных результатов сформулированы основные рекомендации по выбору наиболее эффективных ТС ЦСИО для ведомственных сетей.

Основные научные положения, теоретические и практические исследования, выводы и рекомендации получены автором самостоятельно.

Результаты исследований диссертационной работы внедрены в народном хозяйстве как часть НИР на предприятиях ЦНИИ «Волна» и.

ЛНПО «Красная Заря», для ведомственных сетей связи.

Практическая ценность работы подтверждается актами внедрения.

Основные положения диссертационной работы обсувдались и были одобрены на 1У Всесоюзной научно-технической конференции по повышению качества функционирования и надежности информационных сетей и их элементов НИСЭ-81, г. Новосибирск, 1981 г., Всесоюзной научно-технической конференции «Совершенствование средств автоматической коьофгтации в ЕАСС», г. Москва, 1982 г., Третьей Всесоюзной конференции «Вычислительные сети коммутации пакетов», г. Рига, 1983 г., Областном семинаре «Оптимизация архитектуры вычислительных сетей», г. %йбышев, 1983, ХХХУ1 и ХХХУП научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и сотрудников НИЧ ЛЭИС им. проф.М.А.Бонч-Бруевича, 1983;1984 гг., ХХП и ХХШ научно-технических конференциях профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава КЭИС, г. Куйбышев, 1983;1984 гг.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8-и печатных трудах и получены автором самостоятельно.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и шести приложений.

Выводы раздела 3.

1. Полученные выражения для нахождения оптимальных длин речевых пакетов, протокольных блоков уровня совмещения (ЭК) и пакетов данных позволяют проследить явно зависимость форматов основных протокольных блоков от таких параметров сети как количество звеньев в тракте передачи, скорость работы речепреобразую-щих устройств, скорость работы установки данных, скорость передачи информации в цифровом тракте, величина избыточности, вносимая каждым уровнем архитектуры ПТС, допустимое время сквозной задержки речевых пакетов в транспортном канале заданное среднее время пребывания в тракте передачи пакета данных, средняя длительность активного речевого фрагмента в речевом цифровом потоке и средняя длина сообщения данных при предположении о пуассоновости входной нагрузки первого и второго классов и экспоненциальном распределении длительностей фрагментов и длин сообщений указанных классов.

2. Полученные явные выражения оптимальных длин речевых пакетов ПТв, пакетов данных ПТС и ГТС и элементов коммутации ГТС позволяют сравнить указанные системы по эффективности использования пропускной способности цифрового тракта и выбрать наилучшую, исходя из заданных условий проектирования.

3. На базе математических моделей для расчета основных числовых характеристик ТС ЦСИО построены инженерные методики анализа и синтеза транспортных каналов ЦСИО.

4. Инженерная методика расчета минимально необходимой скорости передачи тракта для заданных трафиков первого и второго классов применительно к ТС всех трех типов (пакетной, гибридной и канальной] позволяет сравнить различные ТС ЦСИО по затратам на аренду каналов связи первичной сети.

5. Специальные логические методы, описанные в п.З.б, повышают эффективность использования пропускной способности трактов передачи в пакетной и гибридной ТС в условиях неоднородной структуры ЦСИО при переменном качестве составного дискретного канала.

6. На основе исследований разработаны элементы САПР основных ТС ЦСИО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Транспортная система ЦСИО должна строиться в соответствии с архитектурными принципами открытых систем.

2. Неприменным атрибутом архитектуры ДСИО является уровень совмещения. Все уровни архитектуры, кроме первых двух, должны содержать функции, дифференцированные по классу трафика. В зависимости от требований к доставке трафика возможны три стратегии-использования физических ресурсов и соответственно три стратегии построения транспортных систем ЦСИО — типичными представителями которых являются: КГС, ПТС, ГТС.

3. Оценка эффективности ТС ЦСИО должна включать в себя сквозную оценку эффективности использования физических ресурсов на всех уровнях ее архитектуры.

4. Предлагается для оценки эффективности работы ПТС и ГТС ввести функционалы: общий коэффициент использования пропускной способности ЛЦГ трафиком 1-го класса при условии, что вероятность превышения заданного времени пребывания речевых пакетов в тракте передачи фиксирована и общий коэффициент использования пропускной способности ЛЦГ трафиком 2-го класса при условии, что среднее время пребывания пакета данных в тракте передачи фиксировано.

5. Для описания процессов, протекающих в однородных ТС ЦСИО предлагается для построения инженерных методик их анализа и синтеза использовать двухприоритетные много фазные однолинейные СМО типа М/М/1.

6. Предложенные методики позволяют определять оптимальные длины основных протокольных уровней ТС в режиме установленного соединения применительно к вышеуказанным критериям оптимальности,.

7. Выбор транспортной системы ЦСИО полностью определяется характером и типом входного трафика. Предложенная в работе методика анализа и синтеза транспортных каналов различных ТС позволяет для конкретных условий проектирования выбрать наиболее эффективный метод передачи и коммутации разнородного трафика в широком диапазоне заданных нагрузок обоих классов и построить элементы САПР, реализованные на языке Фортран 1У применительно к ЭВМ СМ-4. Элементы САПР используются при проектировании ведомственных ЦСИО, о чем имеются соответствующие акты внедрения.

8. Предложенная инженерная методика синтеза ТС ЦСИО позволяет указать минимальную скорость передачи ЛЦГ для ПТС, ГГС и КГС при заданных величинах трафиков 1-го и 2-го классов и заданном качестве их обсх^уживания, и тем самым сравнить различные ТС по затратам на аренду каналов связи первичной сети.

9. Проведенный анализ существующих методов построения ЦСИО показал перспективность применения временного статистического синхронного уплотнения для нагрузки 1-го класса и ассинхронного временного статистического уплотнения для нагрузки 2-го класса в целях повышения эффективности использования ЩГ в среднескоростных гибридных системах передачи и распределения информации. Базовым понятием рассмотренной системы является протокольный блок уровня совмещения — порция информации, на уровне которой происходят процессы коммутации и уплотнения разнородных трафиков.

10. Для трафика обоих классов наилучшей системой в смысле использования физических ресурсов является ГТС для среднескоростных систем передачи и ПТС для высокоскоростных систем передачи. Для высокоскоростных систем передачи ПТС с кодированием пауз в речевых соединениях эквивалентна такой сложной системе передачи, как ГТС, использующая для уплотнения речевого трафика методы.

11. Для речевого трафика ПТС критична к длине пакета, интенсивности его поступления, скорости передачи информации в ЛЦГ, числу звеньев, составляющих виртуальный канал. Ее эффективность для указанного типа трафика при использовании среднескороетных каналов весьма низка.

12. Предложенные логические методы форматирования позволяют повысить эффективность использования ЛЦГ при низком качестве дискретного канала.

В пп.3.1 и 3.2 описаны простейшие аналитические модели транспортных каналов ПТС и ГГС, позволяющие получить их основные числовые характеристики, а также синтезировать тракты передачи минимальной производительности под заданный трафик 1-го и 2-го классов.

Распространение указанных методик на всю сеть (неоднородную) сопряжено с большими трудностями. Так аналитическое описание ЦСИО с ПТС даже в простейшем случае приводит к построению марковских моделей неоднородных двухприоритетных сетей массового обслуживания, включающих в себя дополнительно такие характеристики как топология сети, методы маршрутизации и распределения системы заданных потоков информации 1-го и 2-го классов, управления потоков и т. д. Кроме того, для трафика 1-го класса такая модель должна позволять находить законы распределения времени пребывания речевых пакетов, принадлежащих различным соединениям, в системе взаимодействующих неоднородных трактов передачи. Указанные законы необходимы для подсчета доли речевого трафика, вышедшего за заданное время пребывания в сети, как это было сделано в п. 3.1.

Аналитическое описание ЦСИО с ГГС еще сложнее, т.к. приводит к построению моделей неоднородных сетей массового обслуживания. При этом следует иметь в виду, что модель ЦСИО в ITC должна фактически включать в себя, как частный случай, такую традиционно трудную для аналитического описания систем передачи, как сеть коммутации каналов с потерями.