Сети нового поколения (NGN)

Лихтциндер Б.Я.

Анализ трафика мультисервисных сетей

Учебное пособие.- Самара.: ПГУТИ 2013. – .164. с.

ISBN ..........

Рассматриваютсяхарактеристики трафика сетей связи нового поколения.(NGN).

Показаны отличительные особенности указанного трафика и рассмотрены модели обслуживания трафика с непуассоновскими потоками.

Предлагаются интервальные методы анализа очередей пакетов трафика общего вида, основанные на определении числа заявок на интервалах обслуживания. Рассмотрены классы и механизмы управления трафиком, а также средства мониторинга и анализаторы протоколов трафика мультисервисных сетей.

Материалы книги предназначены для инженерно-технических работников специализирующихся в области сетей свяи, а также преподавателей, аспирантов, магистрантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей.

стр.164,Ил . библ. Назв.10.

Рецензент:	Тарасов В. Н.	ГОУВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ПГУТИ)

ISBN	© Лихтциндер Б. Я.., © ГОУВПО ПГУТИ, 2013

Содержание

1.	Сети нового поколения (NGN)
	1.1	Основные понятия и термины
	1.2	Классы сервиса и приоритеты обслуживания трафика
	1.3	Управление процессом передачи сообщений
	1.4	Повышение загрузки ресурса сети
2.	Характеристики трафика
	2.1	Уровни анализа трафика в мультисервисных сетях
	2.2	Основные параметры пакетного трафика
	2.3	Распределения вероятностей
	2.4	Взаимные корреляционные моменты
3.	Пуассоновские потоки заявок
	3.1	Непрерывные и дискретные случайные величины
4.	Разделение канального ресурса во времени
	4.1	Обслуживание пуассоновских потоков
5.	СМО с непуассоновскими потоками
	5.1	Особенности мультисервисного трафика
	5.2	Непуассоновские потоки
	5.3	Функция Г-распределения интервалов между заявками
	5.4	Квазипуассоновское распределение вероятностей числа заявок
	5.5	распределение вероятностей числа заявок на интервале
	5.6	Гиперпуассоновское распределение вероятностей числа заявок на интервале
	5.7	Гипер - распределение вероятностей числа заявок на интервале

6.	Очереди в одноканальных системах передачи с потоками заявок общего вида
	6.1	Последовательное распределение постоянных интервалов времени передачи
	6.2	Средняя доля недообслуженных заявок
	6.3	Дообслуживание очередей
	6.4	Уравнение баланса
	6.5	Аппроксимация
		6.5.1	Аппроксимация степенной зависимостью
		6.5.2	Полиномиальная аппроксимация
	6.6	Мультиплексирование потоков
		6.6.1	Бесприоритетное обслуживание
		6.6.2	Мультиплексирование групповых потоков
	6.7	Относительные приоритеты
7.	Оценка канального ресурса на уровне установления соединения
8.	Механизм управления трафиком
	8.1	Классы трафика
	8.2	Службы АТМ
	8.3	Форматы ячеек АТМ
	8.4	Механизмы управления потоком
		8.4.1	Формирование трафика
		8.4.2	Контроль приоритетов
	8.5	Контроль потока ABR
	8.6	Механизмы отбрасывания ячеек
	8.7	Методы сброса пакета
9.	Протоколы
	9.1	Cетевая модель TCP/IP
	9.2	Уровень доступа к сети

		9.2.1	Управление логическим каналом на подуровне LLC (УЛК)
		9.2.2	Управление на подуровне доступа к среде УДС (МАС)
	9.3	Протоколы межсетевого уровня
		9.3.1	Протокол IP
	9.4	Протоколы транспортного уровня модели TCP/IP
		9.4.1	Протокол UDP
		9.4.2	Поля UDP дейтограммы
		9.4.3	Инкапсуляция UDP
		9.4.4	Протокол TCP
	9.5	Протоколы прикладного уровня
		9.5.1	HTTP – протокол передачи гипертекстов
		9.5.2	FTP–протокол
		9.5.3	SMTP-протокол
10.	Средства мониторинга и анализа трафика
	10.1	Системы мониторинга
	10.2	Анализаторы протоколов
	10.3	Описание программы WireShark
		10.3.1	Установка программы
		10.3.2	Первый запуск и начало работы с программой
		10.3.3	Настройка программы и запуск захвата трафика
		10.3.4	Главное рабочее окно программы
		10.3.5	Фильтр. Построение фильтров
		10.3.6	Поля и списки
	Список дополнительной литературы

Сети нового поколения (NGN)

1.1 Основные понятия и термины

Развитие сетей связи в перспективе будет происходить в рамках реализации основных положений концепции сетей следующего поколения NGN (Next Generation Network). Она формирует правила построения сетей связи, обеспечивающих предоставление неограниченного набора услуг с заданными характеристиками качества. [1]

Концепция NGN родилась не на пустом месте. Ее основные положения обобщают опыт реализации наиболее успешных телекоммуникационных проектов, главным образом, сети Интернет и сетей подвижной связи.

Необходимо отметить следующие важные положения. [1]

- Изменение схемы формирования сетей инфраструктуры. Используемая ранее монолитная сетевая инфраструктура становится многослойной. Каждый слой отвечает за решение определенного круга.

- Трансформация понятия услуги. Названия отдельных технологий и услуг обезличиваются – пользователю необходим один вид сервиса под названием «соединение с сетью», подразумевающий возможность получения мультимедийной информации в разнообразных сочетаниях, определяемых абонентом, в соответствии со своими индивидуальными запросами по качеству и скорости.

- Доминирующая роль протокола IP. Дешевизна решений на базе IP при интеграции услуг и пользовательских групп.

Упрощенная схема многоуровневой сетевой инфраструктуры, отражающая основные положения концепции NGN, показана на рис. 1.1. [1]

Рис. 1.1 Схема сетевой инфраструктуры перспективных сетей связи

Можно рассматривать два сценария построения сети:

- построение сети с избытком передаточного ресурса

- минимум контроля за сетью.

При реализации второго сценария применяются более совершенные средства контроля и управления за процессом передачи информации. Требуемые характеристики качества работы сети достигаются в результате дифференцированного обслуживания пользователей, в соответствии с заявленными показателями. Канальный ресурс распределяется более эффективно.

Расширение видов услуг. Услуги машина-машина, сенсорные сети, мультимедийность трафика приведут к развитию второго сценария.

Отмеченные тенденции делают актуальными разработку средств оптимизации планирования сетевой инфраструктуры на базе внедрения более совершенных средств контроля за процессом передачи информации.

1.2 Классы сервиса и приоритеты обслуживания трафика

Требования к условиям передачи естественным образом вытекают из характера предоставляемых услуг. Соответствующий перечень классов сервисов выглядит следующим образом.

Класс 0 – потоки реального времени, отличающиеся высокой степенью интерактивности и чувствительные к вариации задержки (высококачественная пакетная телефония и видеоконференц-связь).

Класс 1 – потоки реального времени, интерактивные и чувствительные к вариации задержки (пакетная телефония, видеоконференц-связь).

Класс 2 – транзакции данных, отличающиеся высокой степенью интерактивности (сигнализация).

Класс 3 – транзакции данных, интерактивные.

Класс 4 – потоки, чувствительные к потере информации в процессе ее передачи по сети (массивные данные, потоковое видео).

Класс 5 – традиционные приложения IP – сетей с характеристиками передачи по умолчанию.

В таблице 1 [1] предоставлены верхние границы характеристик доставки IP – пакетов для каждого класса сервиса.

Здесь сервисы делятся в зависимости от характеристик передачи пакетов. С точки зрения восприятия пользователей трафик делится на:

- трафик реального времени (голосовая связь, видеоконференция)

- трафик интерактивной передачи данных (обмен веб-страницами)

- трафик, терпимый к задержкам (передача электронной почты)

При этом используются характеристики:

- доля потерянных пакетов, определяемая как доля IP-пакетов, отброшенных из-за блокировки в процессе их передачи по сети;

- доля отказов в установлении соединения, определяемая как доля заявок, составляющих рассматриваемый поток, для которых механизм управления допуском отказал в резервировании канального ресурса в количестве, необходимом для обслуживания поступившей заявки;

- скорость передачи информации пользователя, определяемая как отношение объема успешно переданной информации к периоду наблюдения и измеряемая в битах в секунду.

Таблица 1.

Характеристики доставки IP – пакетов	Классы качества передачи информационных потоков
Задержка доставки IP-пакета, IPTD	100мс	400мс	100мс	400мс	1с	Не опр.
Вариация задержки доставки IP-пакета, IPDV	50мс	50мс	Не опр.	Не опр.	Не опр.	Не опр.
Для потерянных IP- пакетов, IPLR	1*10-3	1*10-3	1*10-3	1*10-3	1*10-3	Не опр.
Доля IP- пакетов, переданных с ошибкой, IPER	1*10-4	1*10-4	1*10-4	1*10-4	1*10-4	Не опр.

Для обеспечения указанных характеристик, к обслуживанию трафика различных классов предъявляются различные требования.

Для трафика, допускающего малые задержки, необходимо установить некоторые преимущества, называемые «приоритетами». Приоритеты заявок характеризуются целыми положительными числами, причем более высокому приоритету ставится в соответствие меньшее число.

Если приоритеты учитываются только в моменты выбора заявки, то их называют относительными. Если же выбранная заявка наивысшего приоритета прерывает уже начавшееся обслуживание заявки более низкого приоритета, то такая дисциплина обслуживания называется обслуживание с абсолютным приоритетом.

В телекоммуникационных сетях обычно используется обслуживание с относительным приоритетом.

Для заявок каждого приоритета образуется отдельная очередь. Заявка из очереди, соответствующей более низкому приоритету, выбирается на обслуживание лишь в случае, когда все очереди более высоких приоритетов оказываются пустыми.

1.3 Управление процессом передачи сообщений

Одной из важнейших функций сети, направленной на повышение загрузки канального ресурса и улучшение качества обслуживания абонента, является управление процессом передачи сообщений. Оно реализуется в разных формах и зависит от степени детализации, используемой при анализе информационных потоков. Перечень возможных решений показан в таблице 2 с указанием шкалы времени, на которой соответствующее решение принимается [1].

Таблица 2.

Управленческие решения, принимаемые сетью при организации процесса передачи сообщений,

в зависимости от шкалы времени.

Управляющее решение	Шкала времени
Отброс или понижение качества обслуживания для ячеек или пакетов, не удовлетворяющих принятому заранее соглашению по трафику (policing)	Время между моментами поступления ячеек, пакетов
Задержка передачи для части ячеек или пакетов, направленная на улучшение характеристик качества передачи (shaping)
Организация и планирование очередей для ячеек или пакетов (queueing and scheduling)
Контроль доставки пакетов или ячеек при динамическом изменении потребляемого ресурса и уменьшения блокировок (flow control)	Время распространения сигнала в прямом и обратном направлениях
Контроль приема заявок на выделение канального ресурса с целью пропуска пользовательского трафика, маршрутизация трафика (call admission control, routing)	Время между последовательными поступлениями заявок
Принятие управляющих решений на сети для улучшения характеристик обслуживания (network management)	Минуты, часы, дни
Принятие решений по изменению трафиков (pricing policy)	Месяцы

Передача производится пакетами (или ячейками)

- без установления соединения

- с установлением виртуального соединения.

В этом случае требуется контроль за установлением соединения.

Одной из важнейших задач, относящихся к управлению сетью, является выполнение действий, направленных на устранение блокировок.

Избыток трафика, который ввел сеть в состояние перегрузки, можно:

- заблокировать, т.е. удалить соответствующие пакеты из передачи (как правило, данное действие приводит к повторной передачи заблокированных пакетов, что только усугубляет ситуацию перезагрузки);

- доставить адресату с худшими показателями качества, например, за большее время или с большей долей потерянных пакетов;

- доставить адресату за большую стоимость.

Последнее из упомянутых действий выглядит предпочтительней, поскольку оно не уменьшает доход, а также не ухудшает значения показателей обслуживания.

1.4 Повышение загрузки ресурса сети

Понятно, что сети связи не рассчитаны на одновременный запрос всех потенциальных пользователей. Случайный характер поступления заявок, а также возможности пакетных технологий и механизмов динамического распределения канального ресурса позволяет в десятки, а то и более число раз уменьшить потребности в ресурсе, по сравнению с его потенциально необходимым значением. При этом сохраняются требуемые нормы качества обслуживания абонентов. Приведем примеры реализации схем, повышающих загрузку канального ресурса сети. [1]

Допустим, некая фирма имеет центральный офис и достаточно удаленный филиал, сотрудникам которых по роду своей деятельности часто приходится обмениваться между собой информационными сообщениями. Перечень сервисов, доступных каждому пользователю включает в себя: голосовую связь, видеоконференц-связь и обмен файлами. Предположим, что число пользователей перечисленных услуг составляет 1000 для центрального офиса и такое же количество для филиала. Дадим характеристику и приведем значения параметров информационных потоков, порожденных заказом перечисленных сервисов.

a) Голосовая связь. Пиковая интенсивность передачи информационного потока для одного соединения равна 64 Кбит/с.

b) Видеоконференц–связь. Параметры информационного потока сильно зависят от используемого кодека. Для определенности будем считать, что используется кодек Н.263, обеспечивающей среднее качество предоставления соответствующей услуги. Пиковая интенсивность передачи информационного потока для одного видеосоединения с данным кодеком составляет 320 кбит/с.

c) Обмен файлами. Для обеспечения комфортной организации работы по обмену файлов, содержащих, как правило, элементы мультимедиа, примем среднюю скорость передачи информационного потока для одного соединения равного 1 Мбит/с.

Для обслуживания потребностей сотрудников в обмене информацией, необходимо арендовать или проложить линию связи, соединяющую оба офиса.

Если отталкиваться от потребностей каждого пользователя, то необходима линия со скоростью С=1000*(64+320+1000)кбит/с≈1400Мбит/с.

При мультиплексировании со статистическим уплотнением, требуется пропускная способность в 20 раз меньше.

Достичь указанного эффекта можно, если процесс выделения канального ресурса выполнить с учетом особенностей совместного прохождения заявок.

Будем считать, что заявки на получение каждого из трех сервисов распределены равномерно во времени. При этом в час наибольшей нагрузки каждый абонент тратит на голосовую связь в среднем 10 мин, на видеоконференц-связь – 10 мин и на обмен файлами – 5мин.

Коэффициенты загрузки каждого пользователя :

Для голоса .

Для видео .

Для данных .

Общий поток загружает каналы:

- голос - 166 эрл.,

- видео - 166 эрл.,

- данные - 83 эрл.

Общая средняя пропускная способность примерно в 10 раз меньше, чем потенциальная.

Примем, что максимальная доля отказов в доступе к каждому из трех сервисов не превосходит 3%. Тогда, используя результаты классической теории телетрафика (формулу Эрланга), получаем, что для обеспечения доступа к перечисленным сервисам с заданным качеством достаточно:

- для голосовой связи – 93 канала по 64 Кбит/с,

- для видеоконференц-связи – 93 канала по 320 Кбит/с

- для обмена файлами – 50 каналов по 1 Мбит/с

- общие потребности в ресурсе 85,7 Мбит/с.

Это примерно в 16 раз меньше, чем потенциальное решение. Отмеченный выигрыш достигнут за счет статистического мультиплексирования на шкале времени, соответствующей моментам поступления заявок. Приведенные оценки найдены в предположении, что указанные сервисы предоставляются по отдельным сетям.

Выигрыш почти в 16 раз по сравнению с потенциальным решением.

Дополнительное уменьшение потребностей в канальном ресурсе может быть получено при переходе на пакетную технологию передачи информации.

Если пакеты допускают небольшие задержки, то за счет сохранения пакетов в буферной памяти можно повысить пропускную способность.

1) Динамическое распределение пропускной способности

2) Приоретизация голосового трафика.

Для обеспечения качества передачи голосовой информации, сравнимого с качеством, достижимым при использовании технологии коммутации каналов, достаточно, чтобы доля потерянных пакетов не превосходила значения 0,01%. Соответствующий показатель может быть получен уже при скорости 30 кбит/с. Аналогично, для видеоконференц-связи достаточно, чтобы доля потерянных пакетов не превосходила 0,1%. Данный показатель для кодека Н.263, при среднем качестве предоставления рассматриваемой услуги, достигается при скорости в 105 кбит/с.

Выигрыш, по сравнению с С_эф получается еще в 1,4 раза, т.е. общий выигрыш, приблизительно, в 20 раз. Полученные единицы объединим в таблицу 3 [1].

Таблица 3.

Пропускная способность	обозначение	голос	мультимедиа	данные	общая
максимальная	См, кбит/с
средняя	Сс, кбит/с	16,6	53,1		146,7
эффективная	Сэф, кбит/с	6,1	29,7		85,8
с пакетной коммутацией	Спак, кбит/с	2,7	9,7		62,5

Все это свидетельствует о необходимости изучения особенностей мультисервисного трафика.