Производительность мультисервисного узла доступа

Некоммерческое акционерное общество
«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»
Кафедра Телекоммуникационных систем

КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине: IP-телефония и видеосвязь
Специальность: «Радиотехника, электроника и телекоммуникации»
Производительность мультисервисного узла доступа
Выполнил: Болховитин А. Группа МРС-07-2
№ зач. книжки 073170
Руководитель: Сейсенова Д.О.
Алматы 2011

Содержание
Введение
Задание 1
1.1 Расчёт числа пакетов от первой группы (телефония)
1.2 Расчёт числа пакетов от второй группы (телефония иинтернет)
1.3 Расчёт числа пакетов оттретьей группы абонентов (triple play)
1.4 Требования к производительности мультисервисного узладоступа
Задание 2
2.1 Выполнение задания 2
Задание 3
Заключение
Список литературы
Введение
IP-телефония — это технология, которая обеспечивает голосовуюсвязь по сетям передачи данных. Другими словами, IP-телефония позволяет осуществлятьмеждународные и междугородние переговоры в режиме реального времени через сеть Internetили любую другую IP-сеть. Благодаря этой технологии устанавливается контакт междумножеством разрозненных объектов. Связь с удаленными объектами классическим способомобычно обходится недешево. Связь посредством IP-телефонии — это существенная экономиясредств, затрачиваемых на переговоры, поскольку функция голосовой связи и передачиданных объединяется в одну сеть.
IP-телефония позволяет организовать телефонную связь или передачуфаксимильного послания с помощью Internet, локальной сети, выделенного канала. ДостоинстваIP-телефонии в экономном использовании емкости канала, что позволяет существенноснизить затраты на звонок и тем самым сократить расходы на переговоры с международнымии междугородними объектами.
В чем заключается принцип действия IP-телефонии? Основа технологии- это конвертация голосовой связи в пакеты данных через телефонные аппараты, которыеподключены к портам IP-сети. Также функцию телефонного аппарата может выполнятьдругое устройство, подключенное к сети, например, персональный компьютер. Для определениябазовой распределённой архитектуры IP — телефонии существует множество терминов,например, телефония типа «клиент-сервер», конвергентная телефония, LANс функциями телефона. IP-телефония использует специальное программное обеспечение,которое устанавливается на персональный компьютер и функционирует как «программируемый»телефон. Использование данной технологии избавляет от необходимости размещать отдельныймногоканальный телефон у персонального компьютера на каждом рабочем месте. Чтобыусовершенствовать традиционную телефонную связь, нужно заменить телефонный аппарат.Модернизировать и усовершенствовать программное обеспечение, которое используетсяIP-технологией, намного проще. Нет нужды тратиться на оборудование, прерывать рабочийпроцесс.
Технология передачи голоса посредством IP-телефонии весьма перспективнадля компаний, которые имеют связь со своими филиалами и партнерами через сеть Internetи при этом платят за традиционные телефонные переговоры. Помимо экономии средств,IP-телефония имеет и другие преимущества, благодаря которым данная технология заслужилауважение и доверие во всем мире: качество связи, надежность и безопасность.
Задание 1
Провести расчёт производительности узла доступа с учётом структурынагрузки поступающей от абонентов, пользующихся различными видами услуг.
а) сделать расчёт числа пакетов от первой группы (телефония);
б) провести расчёт числа пакетов от второй группы (телефонияи интернет);
в) сделать расчёт числа пакетов от третьей группы абонентов(triple play);
г) оценить требования к производительности маршрутизатора,агрегирующего трафик мультисервисной сети доступа NGN;
д) сделать выводы.
Исходные данные для расчета приведены в таблицах 1, 2, 3, 4.
Таблица 1 — Доля абонентов по группамГруппа абонентов Последняя цифра номера зачетной книжки 7 1
Доля абонентов 1 группы, p1 в% 50 2
Доля абонентов 2 группы, p2 в% 45 3
Доля абонентов 3 группы, p3 в% 5
Таблица 2 — Характеристики нагрузки, создаваемой клиентамиразличных групп.
Последняя цифра номера зачетной книжки fi
Вызовов в час, fi 5
Средняя длительность разговора, tiминут 2
Объём переданных данных в час наибольшей нагрузки, V2, Мбайт/с 20
Объём переданных данных в час наибольшей нагрузки, V3, Мбайт/с 70 Время просмотра видео в час наибольшей нагрузки, Тв, минут 55 Мультисервисный узел доступа обслуживает N, абонентов 3000

Таблица 3 — Выбор кодековПредпоследняя цифра номера зачетной книжки Кодеки
G.711u
G.723m
Таблица 4 — Параметры кодековКодек
Скорость передачи,
кбит/с
Длительность датаграммы,
мс Задержка пакетизации, мс Полоса пропускания для двунаправленного соединения, кГц Задержка в джиттер-буфере Теоретическая максимальная оценка MOS G.711u 64 20 1 174,4
2 датаграммы,
40 мс 4,4 G.723m 6,3 30 67,5 43,73
2 датаграммы,
60 мс 3,87
Всех потенциальных клиентов оператора по уровню приносимого доходаможно условно разделить на три группы.
Наиболее многочисленная группа абонентов приносит минимальныйуровень дохода, однако отказаться от её обслуживания оператор не может из-за социальнойзначимости предоставления услуг этим абонентам.
В структуре пользователей можно выделить незначительное числоабонентов, готовых использовать максимальное количество предоставляемых услуг. Скореевсего, это корпоративные пользователи, потребляющие весь спектр услуг «Triple Play».Несомненно, для организации обслуживания данного сектора организовывается широкополосныйдоступ.
Расчёт производительности узла доступа необходимо проводить сучётом всех абонентов, пользующихся услугами. Три группы клиентов:
пользователи телефонии, p1;
пользователи телефонии и передачи данных, p2;
пользователи телефонии, передачи данных и видео,p3.
Схема групп пользователей показана на рисунке 1.
/>
Рисунок 1 — Состав абонентов сети доступа
Каждая группа абонентов совершает в среднем fi вызовов в час средней длительностьюtiминут.Для второй и третьей группы, необходимо задать объём переданных данных в час наибольшейнагрузки, величина обозначается Vi, Мбайт/с.Третья группа будет характеризоваться еще временем просмотра видео в час наибольшейнагрузки ТВ минут. Мультисервисный узел доступа обслуживает N абонентов.
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/> 1.1 Расчёт числа пакетов от первой группы (телефония)
Рассчитаем число пакетов создаваемых пользователями телефонии,использующие выбранные ранее кодеки. Параметры кодеков представлены в таблице 4.Рассчитаем параметры сети для двух кодеков соответственно варианту. Длительностьдейтаграммы TPDUравна20 мс и 30 мс, согласно рекомендации RFC 1889. При этом в секунду передаётся:
nj= 1/ TPDU= 1/20∙10-3 = 50кадров в секунду
nj= 1/ TPDU= 1/30∙10-3 = 33кадров в секунду
Размер пакетизированных данных:
hj =vj·TPDU
где vj — скорость кодирования,байт/с;
hj — размер пакетизированныхданных;
TPDU — длительность однойречевой выборки (длительность пакета).
Рассчитываем vj — скоростькодирования, байт/с; hj — размер пакетизированныхданных для двух выбранных согласно варианту кодеков (индекс j соответствует 1 — первый кодек без сжатия, 2 — второй кодек сосжатием).
При использовании кодека скорость кодирования:
vi=RGi/8, (байт/с), v1= RG1/8 = 64/8 = 8 кбит/с =8000 байт/с
v2 = RG2/8= 6.3/8 = 0.787*103 байт/с, hj = vj ·TPDU, (байт).
h1 = v1· TPDU = 8000 · 20 ·10-3 = 160 байт (без сжатия)
h2 = v2· TPDU = 787 · 20 · 10-3= 15.7 байт (со сжатием)
Для определения размера пакета необходимо учесть заголовки:
Ip — 20 байт;
UDP — 8 байт;
RTP — 12 байт.
Суммарный размер пакета для кодека без сжатия:
håG1= h1 + Ip + UDP+ RTP = 160 + 20 + 8 + 12 = 200 байт.
Суммарный размер пакета для кодека со сжатием:
håG2=h2 + Ip + UDP+ RTP = 15.7 + 20 + 8 + 12 = 55.7 байт.
Для определения числа пакетов, генерируемых первой группой абонентов,необходимо учесть их долю в общей структуре пользователей, количество вызовов вчас наибольшей нагрузки, среднюю длительность разговора.
N1j = n1j· t1·f1·p1·N= 50·120·5·0,5·3000 = 45 000 000 пакетов
N1j = n1j· t1·f1·p1·N= 33·120·5·0,5·3000 = 29 700 000 пакетов
где N1j — число пакетов, генерируемое первой группой пользователейв час наибольшей нагрузки;
n1j — число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;
t1 — средняя длительностьразговора в секундах для первой группы абонентов;
f1 — число вызовов в час наибольшейнагрузки для первой группы абонентов;
p1 — доляпользователей группы 1 в общей структуре абонентов;
N — общее число пользователей./>/>/>/>/>/>/>/>/>/> 1.2 Расчёт числа пакетов от второй группы (телефонияи интернет)
Рассуждения, приведённые для первой группы абонентов, в полноймере можно применить и ко второй группе для расчёта числа пакетов, возникающих врезультате пользования голосовыми сервисами.
Разница будет лишь в индексах.
N2_тj = n1j·t2· f2·p2· N = 50·120·5·0,45·3000 = 40 500 000 пакетов
N2_тj = n1j·t2· f2·p2· N = 33·120·5·0,45·3000 = 26 730 000 пакетов
где N2_тj — число пакетов, генерируемое второй группой пользователейв час наибольшей нагрузки при использовании голосовых сервисов;
n1j — число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;
t2 — средняя длительностьразговора в секундах для второй группы абонентов;
f2 — число вызовов в час наибольшейнагрузки для второй группы абонентов;
p2 — доляпользователей группы 2 в общей структуре абонентов;
N — общее число пользователей.
Для расчёта числа пакетов, генерируемых второй группой пользователейпри использовании сервисов передачи данных, необходимо задаться размером пакетов.При построении сети NGN, как правило, на одном или несколькихучастках сети на уровне звена данных используется та или иная разновидность технологииEthernet, поэтому использовать пакеты, превышающие максимальнуюдлину поля данных Ethernet, не имеет смысла. Очень длинныйпакет рано или поздно будет фрагментирован, что приведёт, во-первых, к излишнейнагрузке на коммутаторы, и, во-вторых, к возможным перезапросам в случае потерь.
Кроме того, использование пакетов большого размера затрудняетобеспечение качества обслуживания и на магистральной сети, и в сети доступа. Болеетого, как правило, корпоративные пользователи устанавливают на границе своей сети«firewall», который, иногда, ограничивает максимальныйразмер кадра. При передаче данных вместо протоколов RTP и UDP используетсяTCP, вносящий точно такую же избыточность (20 байт).
Для расчёта числа пакетов в час наибольшей нагрузки необходимозадаться объёмом переданных данных.
Предположим, что абоненты второй группы относятся к интернет-сёрферам,т.е. в основном просматривают веб-страницы. Средний объём данных, переданных зачас при таком способе подключения, составит около V2необходимо выразить в битах.
То есть V2 ≈ V2 (Мбайт) ·20·1024·1024 бит. Число пакетов, переданныхв ЧНН, будет равно
N2_дj = p2· N ·V2j/hj
N2_д1 = p2· N ·V2j/h1 = 0,45·3000·20·971·520/160 = 85 205 250 пакетов
N2_д2 = p2· N ·V2j/h2 = 0,45·3000·20·971·520/15.7 = 868 33 3757пакетов
где N2_дj — количество пакетов, генерируемых в час наибольшей нагрузкиабонентами второй группы при использовании сервисов передачи данных;
p2 — доляпользователей группы 2 в общей структуре абонентов;
h2j- размер поля данных пакета;
N — общее число пользователей.
Суммарное число пакетов, генерируемых второй группой пользователейв сеть в час наибольшей нагрузке, будет равно:
N2j = N2_тj + N2_дj/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
N21 = N2_тj + N2_д1= 40,5·106 + 85, 205·106 = 12,57·107 пакетов
N22 = N2_тj + N2_д2= 26,73·106 + 86,83·107 = 89,5·107 пакетов1.3 Расчёт числа пакетов от третьей группы абонентов(triple play)
Все рассуждения, проведённые относительно первых двух групп,остаются в силе и для третьей группы, применительно к сервисам передачи голоса,а именно:
(2.8)   N3_тj = n1j· t3_т· f3· p3· N = 50·120·5·0,05·3000= 4,5·106 пакетов
(2.8)   N3_тj = n1j· t3_т· f3· p3· N = 33·120·5·0,05·3000= 2.97·106 пакетов
где N3_т — число пакетов,генерируемое третьей группой пользователей в час наибольшей нагрузки при использованииголосовых сервисов;
n1j — число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;
t3 — средняя длительностьразговора в секундах;
f3 — число вызовов в час наибольшейнагрузки;
p3 — доляпользователей группы 3 в общей структуре абонентов;
N — общее число пользователей.
Предположим, что абоненты третьей группы относятся к «активным»пользователям интернета, т.е., используют не только http,но и ftp, а также прибегают к услугам пиринговых сетей.Объём переданных и принятых данных при таком использовании интернета составляетдо V3. Число пакетов, переданных в ЧНН, будетравно
N3_дj = p3· N ·V3/hj
N3_д1 = p3· N · V3/h1= 0,05·3000·/>0,7·109/160= 0,65·109 пакетов
N3_д2 = p3· N · V3/h2= 0,05·3000·0,7·109/15.7 = 6,68·109 пакетов
Для расчёта числа пакетов, генерируемых пользователями видео-услуг,воспользуемся соображениями относительно размера пакета, приведёнными в предыдущемпункте. Размер пакета не должен превосходить 200 (120) байт (вместе с накладнымирасходами).
Одной из наиболее перспективных и динамически развивающихся услугявляется IPTV — передача каналов телевещания с помощью протоколаIP. При организации данного сервиса для каждого пользователяв транзитной сети доступа не требуется выделения индивидуальной полосы пропускания.До мультисервисного узла доходит определённое количество каналов, которые распределяютсямежду заказчиками услуги, причём существует возможность организации широковещательнойрассылки. Допустим, что в мультисервисной сети предоставляется возможность просмотраK_tv = 40каналов вещания. Для обеспечения удовлетворительного качества скорость кодированиядолжна быть порядка 2 Мбит/с.
Например, при скорости передачи v = 2048000 бит/с и при размере полезной нагрузки пакета hj число пакетов, возникающихпри трансляции одного канала, равно:
n3j = v/hj
n31 = v/h1 = 2048000/160= 12800
n32 = v/h2 = 2048000/15.7 = 130446
Количество пакетов, передаваемых по каналами в ЧНН, составит:
N3i_Вj = p3· N · n3i· t3_В
N3i_В1 = p3· N · n3i· t3_В = 0,05·3000·12800·3300 = 6,36·109 пакетов
N3i_В2= p3· N · n3i · t3_В= 0,05·3000·130446·3300 = 64,57·109 пакетов
где N3j_В — число пакетов, генерируемое третьей группой пользователейв час наибольшей нагрузки при использовании видео-сервисов сервисов;
n3j — число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при использовании просмотревидео, сжатого по стандарту MPEG2;
t3_В — среднее время просмотраканалов в ЧНН, сек;
p3 — доляпользователей группы 3 в общей структуре абонентов;
N — общее число пользователей.
Суммарное число пакетов, генерируемых третьей группой пользователейв сеть в час наибольшей нагрузке, будет равно
N3j = N3j_т + N3j_д + N3j_В
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>N31 = N3j_т + N3j_д1 + N3j_В1 = 4,5·106 + 0,65·109 + 6,36·109= 7,014·109 пакетов
N32 = N3j_т + N3j_д2 + N3j_В2 = 2,97·106 + 6,68·109 + 64,57·109= 71,25·109 пакетов1.4 Требования к производительности мультисервисногоузла доступа
Мультисервисный узел доступа должен обслуживать трафик от всехтрёх групп пользователей. Кроме того, именно узел доступа должен обеспечить поддержкукачества обслуживания путем приоритезации трафика, которая должна осуществлятьсянезависимо от используемой технологии транспортной сети доступа.
Суммарное число пакетов, которое должен обработать мультисервисныйузел доступа, будет равно:
NjΣj = N1j + N2j+ N3j = n1j· t1·f1·p1·N + (n1j· t2· f2· p2· N + p2· N · V2/hj) +
+ (n1j· t3·f3·p3· N + p3·N ·V3/hj + p3· N · n3j · t3_В)
Учитывая, что:
t1 = t2= t3 = t — средняя длительность разговорав секундах;
f3 = f2= f1 = f — числовызовов в ЧНН;
Получим:
NjΣj = n1j · t· f ·N · (p1 + p2 + p3) + N/hj · (p2·V2 + p3·V3) + p3· N · n3j · t3В
Учитывая, что p1+ p2 + p3 = 1, получим:
NΣj = N · (n1j · t·f + (p2·V2 + p3·V3) /hj) + p3· N · n3j · t3_В
NΣ1= N · (n1j · t· f + (p2·V2+ p3·V3)/h1) + p3·N · n31 ·t3_В = 3000· (50·120·5 + (0,45·20971520 + 0,05·0,70·109)/160) + 0,05·3000·12800·3300 = 7,25·109 пакетов
NΣ2= N · (n1j · t· f + (p2·V2+ p3·V3)/h2) + p3·N · n32 ·t3_В = 3000· (33·120·5 + (0,45·20971520 + 0,05·0,70·109)/15.7) + 0,05·3000·130446·3300 = 73,12·109 пакетов
Среднее число пакетов в секунду рассчитывается для двух выбранныхкодеков и равно:
NΣ_секj = NΣj/3600.
NΣ_сек1 =NΣ1/3600 = 7,25·109/3600= 2,014·106 пакетов/с
NΣ_секj = NΣj/3600=73,12·109/3600 = 20,31·106 пакетов/с
Данные показатели позволяют оценить требования к производительностимаршрутизатора, агрегирующего трафик мультисервисной сети доступа NGN.
Анализируем, как и какие группы сети больше всего загружают системудля рассчитываемых длин пакетов. Для этого формируем таблицу 5 и строим диаграммурисунок 2.
Таблица 5 — Количество передаваемых пакетов в секунду для трехгрупп пользователей
Количество передаваемых пакетов в секунду, *109 G.711u G.723m
1 группа (p1),%
45·106
29,7·106
2 группа (p2),%
12,57·107
89,5·107
3 группа (p3),%
7,014·109
71,25·109
/>
/>/>/>/>/>/>/>/>Рисунок 2 — Доля передаваемых пакетов тремя группами
Вывод о загрузке системы пользователями трех групп.
Из графика видно, что наибольший передаваемый трафик идет напервую группу при кодеке G.711u и вторую при кодеке G.723m./>/>/>/>/>/>/>/>
Задание 2
Расчетная часть: а) рассчитать среднее время задержки пакетав сети доступа; б) рассчитать интенсивность обслуживания пакета при норме задержки/> = 5 мс длядвух типов кодеков; в) построить зависимость максимальной величины для средней длительностиобслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа; г) определитькоэффициент использования системы для случаев с различными кодеками; д) построитьзависимости при помощи прикладной программы MathCad.; ж)сделать выводы по задачам 1 и 2.2.1 Выполнение задания 2
Требования к полосе пропускания определяются гарантиями качестваобслуживания, предоставляемыми оператором пользователю. Параметры QoS описаны в рекомендации ITU Y.1541. Вчастности, задержка распространения из конца в конец при передаче речи не должнапревышать 100 мс, а вероятность превышения задержки порога в 50 мс не должна превосходить0,001, т.е.
/>, мс
p{tp > 50 мс} ≤ 0.001
Задержка из конца в конец складывается из следующих составляющих:
tp =tпакет + tад +tcore + tбуф
где tp — время передачи пакетаиз конца в конец;
tпакет — время пакетизации(зависит от типа трафика и кодека);
tад — время задержки при транспортировкев сети доступа;
tcore — время задержки прираспространении в транзитной сети;
tбуф — время задержки в приёмномбуфере.
Из таблицы 6 видно, что применение низкоскоростных кодеков«съедает» основную часть бюджета задержки. Задержка в приёмном буферетакже велика, поэтому на сеть доступа и транспортная сеть должны обеспечивать минимальнуюзадержку.
Допустим, что задержка сети доступа не должна превышать 5 мс.Время обработки заголовка IP-пакета близко к постоянному.Распределение интервалов между поступлениями пакетов соответствует экспоненциальномузакону. Поэтому для описания процесса, происходящего на агрегирующем маршрутизаторе,можно воспользоваться />моделью M/G/1.
Для данной модели известна формула, определяющая среднее времявызова в системе (формула Полячека — Хинчина) /9/.
/>
где />j — средняя длительность обслуживания одного пакета;
/> - квадрат коэффициента вариации, />/>0,2;
/>j — параметрпотока, из первой задачи Nå_секj;
/>j — среднее время задержки пакета в сети доступа, /> = 0,005 с.
Ненулевой коэффициент вариации учитывает возможные отклоненияпри использовании в заголовках IP полейToS. Кроме того, время обработки IP-пакетав значительной мере зависит от используемых на маршрутизаторе правил обработки.Из формулы (2.17) следует зависимость максимальной величины для средней длительностиобслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа.
/>
/>
/>
Построим данные зависимости при помощи прикладной программы MathCad.
/>
Рисунок 3 — Зависимость максимальной величины для средней длительностиобслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа для кодекаG.711u
/>
Рисунок 4 — Зависимость максимальной величины для средней длительностиобслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа для кодекаG.723m
Интенсивность обслуживания связана со средним временем задержкипакета в сети доступа обратно пропорционально:
/>
/>
/>
Рассчитали по формулам 2.18 и 2.19 среднее время задержки в сетидоступа и интенсивность обслуживания при норме задержки /> = 5 мс для двух типов кодеков.
Время tj должно выбираться как минимальноеиз двух возможных значений. Первое значение — величина, полученная из последнейформулы. Второе значение — та величина, которая определяется из условия ограничениязагрузки системы — r. Обычно эта величинане должна превышать 0,5.
узел доступ телефония сеть
При среднем значении задержки в сети доступа 5 мс коэффициентиспользования равен:
/>
/>
/>
При таком высоком использовании малейшие флуктуации параметровмогут привести к нестабильной работе системы. Определим параметры системы при еёиспользовании на 50%. Средняя длительность обслуживания будет равна
/>
/>
/>
Определим интенсивность обслуживания при этом:
/>, />
/>
Задержка в сети доступа рассчитывается по формуле:
/>, (секунд)
/>
/>
Рассчитывать вероятность s (t) =/>при известных λ и τ нецелесообразно,т.к. в Y.1541 вероятность P{t>50мс}
При известном среднем размере пакета hj определить требуемую полосу пропускания:
jj = βj×hj (бит/с)
/>
/>
Сравним полученные результаты (рисунок 5).
/>
Рисунок 5 — Требуемая полоса пропускания
Из графика видно, что для передачи одной и той же информации,то есть одного объема при использовании услуги Triple Play, необходима различная полоса пропускания.В нашем случае при использовании кодека G.711u с длиной пакета 160бит необходима большая полоса пропускания, чем при использовании кодека G.723m с длинойпакета 15.7 бит.
Предположим, что в структурном составе абонентов отсутствуютгруппы пользователей, использующие видео, т.е. p2н» p2+p3. При этом в вышеприведённом анализеследует опустить расчёт числа пакетов, возникающих при использовании сервисов высокоскоростнойпередачи данных и видеоуслуг.
Число генерирующих пакетов, возникающих в ЧНН, будет равно
 
/>
/>
где Ntel — число пакетов телефонии,генерируемое всеми пользователями в час наибольшей нагрузки;
Nint — число пакетов интернета,генерируемое второй группой пользователей в час наибольшей нагрузки
p2н — доляпользователей группы 2 в общей структуре абонентов
nj — число пакетов, генерируемыхв секунду одним абонентом при использовании кодека G.711;
t — средняя длительность разговорав секундах;
f — число вызовов в час наибольшей нагрузки;
N — общее число пользователей.
Число пакетов в секунду:
/>
/>
/>
Среднее время обслуживания одного пакета при норме задержки 5мс:
/>
/>
Коэффициент использования:
/>
/>
При использовании системы на 50%:
/>
/>
/>
/>
Требуемая пропускная способность:
/>
/>
Сравним полученные результаты (рисунок 6).
/>
Рисунок 6 — Требуемая полоса пропускания
Из графика видно, что для передачи информации одного объема,необходима различная полоса пропускания, в данном случае при использовании кодекаG.711u сдлиной пакета 160 бит необходима большая полоса пропускания, чем при использованиикодека G.723m сдлиной пакета 15.7 бит.
Построенная модель рассчитывает параметры сети, а именно времяи интенсивность обслуживания одного IPпакета определенной длины, от времени задержки в сети доступа.
Задание 3
Расчетная часть
а) Провести расчет математической модели эффекта туннелированияв MPLS, применив MATHCAD или другуюпрограмму;
б) Рассчитать времени пребывания пакета в туннеле из N узловV1 (N);
в) рассчитать время пребывания пакета в LSP — пути без туннеляV2 (N);
г) на основе результатов расчета сравнить различные вариантыи сделать выводы о возможности организации туннеля между первым узлом и узлом N.
Исходные данные для расчета приведены в таблице 6.
Таблица 6 — Данные к расчетуПервая буква фамилии А Число маршрутизаторов N 10 Последняя цифра номера зачетной книжки
ρ1 0,60
ρ2 0,70
ρ2 0,80 Предпоследняя цифра номера зач. книжки
/>, с-1 900 m 1,06
Здесь:
/>-интенсивность входногопотока заявок.
/> - среднее времяобслуживания в системе М/М/m в стационарныхусловиях
/> нагрузка, обслуживаемаяузлом LSР-маршрута.
M — поправочный коэффициент
В контексте поставленной задачи для поиска стратегии принятиярешения об организации LSP — туннеля для оценки альтернативного варианта суммарноговремени V2 (N) пребывания пакета в LSP — пути без туннеля допустимо использоватьВ-формулу Эрланга в качестве адекватной оценки, позволяющей произвести сравнениес V1 (N).
Само по себе решение об организации LSР-туннеля согласно предложенномуздесь алгоритму сводится к анализу двух (с туннелем и без туннеля) значений среднегосовокупного времени пребывания пакета в узлах от 1 до узла N.
Алгоритм туннелирования в сети MPLS.
Основное отличие технологии MPLS — IP-маршрутизаторыанализируют заголовок каждого пакета, чтобы выбрать направление для его пересылкик следующему маршрутизатору, в технологии MPLS заголовок анализируется только одинраз на входе в сеть, после чего устанавливается соответствие между пакетом и потоком.
Принцип коммутации MPLS основывается на обмене меток. Любой передаваемыйпакет ассоциируется с тем или иным классом сетевого уровня FEC (Forwarding Equivalence Class), каждый из которых идентифицируетсяопределенной меткой. Значение метки уникально лишь для участка пути между соседнимиузлами сети MPLS, которые называются также маршрутизаторами, коммутирующими по меткамLSR (Label Switching Router). На рисунке 1 пограничный маршрутизаторLSR1 — входной, а LSR4 — выходной маршрутизатор. Последовательность маршрутизаторов(LSR1,., LSR4), через которые проходят пакеты, принадлежащие одному FEC, образует виртуальный тракт LSP, коммутируемый по меткам, LSP(Label Switching Path). Таким образом, главная особенностьMPLS — отделение процесса коммутации пакета от анализа IР — адресов в его заголовке,что открывает ряд возможностей.
/>
Рисунок 7 — Организация туннеля
Существует еще одно весьма важное достоинство MPLS — возможностьв рамках архитектуры MPLS вместе с пакетом передавать не одну метку, а стек меток.
Операции добавления/изъятия метки определены как операции настеке (push/pop). Результат коммутациизадает лишь верхняя метка стека, нижние же передаются прозрачно до операции изъятияверхней. Такой подход позволяет создавать иерархию потоков в сети MPLS и организовыватьтуннельные передачи. Речь идет о возможности управления в MPLS всем трактом передачипакета без специфицирования в явном виде промежуточных маршрутизаторов. Это достигаетсяпутем создания туннелей через промежуточные маршрутизаторы, которые могут охватыватьнесколько сетевых сегментов, как это изображено на рисунке 7. Все пограничные маршрутизаторыMPLS (LER1, LER2, LER3 и LER4) используют протокол BGP и создают коммутируемый пометкам тракт LSP между ними (LSP1). LER1 знает о том, что его следующий пункт назначения- LER2, поскольку он передает данные от отправителя, которые должны пройти черездва сегмента сети. В свою очередь, LER3 знает о том, что его следующий пункт назначения- LER4, и т.д. Эти пограничные четыре LER будут использовать протокол LDP для полученияи хранения меток от выходного LER (LER4 в данном сценарии) вплоть до входного LER(LER1).
/>
Рисунок 8 — Транзитные маршруты
Однако для того, чтобы данные были переданы от LER1 к LER2, онидолжны пройти через несколько (в данном случае три) транзитных маршрутизаторов LSR.Таким образом, между двумя LER (LER1 и LER2) создается отдельный тракт LSP (LSP2)(рис.8), который охватывает LSR1, LSR2 и LSR3. Он, в сущности, представляет собойтуннель между этими двумя LER. Метки в этом тракте отличаются от меток, которыеLER создали для LSPl.
/>
Рисунок 9 — Организация транзитного маршрута
Это справедливо и для LER3 и LER4, равно как и для LSR, находящихсямежду ними. Для этого последнего сегмента создается тракт LSP3. Для достижения этогорезультата, при передаче пакета через два сетевых сегмента используется концепциястека меток. Поскольку пакет должен следовать через LSP1, LSP2 и LSP3, он будетпереносить одновременно две отдельные метки. Пары, используемые для каждого сегмента,следующие: для первого сегмента — метка для LSP1 и LSP2,для второго сегмента — метка для LSP1 и LSP3.
Когда пакет покидает первую сеть и принимается пограничным маршрутизаторомLER2, тот удаляет метку для LSP2 и заменяет её на метку для LSP3, заменяя при этомметку LSP1 внутри пакета на метку следующей пересылки. LER4 удаляет обе метки передотправкой пакета адресату.
Математическая модель эффекта туннелирования в MPLS представляетсобой сеть массового обслуживания с последовательными очередями.
Оцениваемыми параметрами являются: среднее время обслуживаниябез прерывания (период занятости) и среднее время пребывания пакета в n-м узле.Обслуживаемые за период занятости (т.е. непрерывно, без освобождения) пакеты объединяютсяв группу на выходе узла и называются пачкой. Средняя длина такой пачки выражаетсячислом пакетов. На вход граничного узла 1 поступает пуассоновский поток сообщенийс интенсивностью входного потока заявок /> исредним временем обслуживания />в системе М/М/m в стационарных условиях (при /> является также пуассоновским с той же интенсивностью />). Но при последовательно соединенных очередях мы не можем рассматриватькаждый узел независимо от других.
Если мы рассматриваем два следующих один за другим сообщенияна узле n (n /> 2), интервал времени между поступлением этих двух сообщенийзависит от времен поступления и обслуживания на предыдущих узлах.
Специфическое поведение первого узла (n = 1) очевидно и связано с тем, что сообщения поступают напрямую,не проходя через какой-либо узел. Специфика режима работы второго узла (n = 2) может рассматриваться как реальныйисточник пачек сообщений. Сложность поведения пакетов в нем обусловлена двумя явлениями:а) сцеплением пачек, исходящих от первого узла; б) фрагментацией этих же пачек.
/>
Рисунок 10 — Сцепление пакетов
Первое явление сцепления относится не только ко второму, но ик любому не первому узлу n (n /> 1) и связано с тем, первый пакет k — ой пачки догоняет на этомузле последний пакет (k — l) — ой пачки, и обе пачки — k — я и (k — 1) — я — соответствующимобразом сцепляются, как это показано на рисунке 10. Второе явление фрагментации,которое иллюстрирует рисунок 11, не столь очевидно и имеет место только во второмузле, но тоже вполне наглядно. Пусть в первом узле обслуживается пакет номер j из пачки k и в этот момент на тот жепервый узел поступает следующий пакет номер j + 1, время обслуживания которого превышаетвремя обслуживания пакета j. Пусть на следующем втором узле в этот момент нет очереди,и пакет j обслуживается, как толькоон поступает на узел 2, пакеты j + 1 и j начинают обслуживаться одновременно наузлах 1 и 2, соответственно. Когда пакет j затем покидает узел 2, пакет j+1 всёещё продолжает обрабатываться на узле 1, поскольку время его обслуживания дольше.
/>
Рисунок 11 — Фрагментация данных
Математический анализ этих двух явлений эффекта туннелированияMPLS позволяет вывести следующую формулу для времени пребывания пакета в туннелеиз N узлов:
(3.1)   />
где /> - постоянная Эйлера(/>), N > 2.
Формула (3.1) позволяет рассчитать целесообразность организациитуннеля в LSP для индивидуальных пар «исходящий узел — узел назначения»при заданных загрузке сети р и нормативах качества обслуживания. С ее помощью можнопоказать, что отдельные туннелированные LSP в наиболее реалистических случаях, вероятно,должны являться предпочтительным режимом работы.
Рассмотрим маршрут в МРLS — сети, который состоит из N узлов и физических каналов передачиданных между ними. Маршрут соответствует трем объектам: LSRи (LSR источника),LSRн (LSR назначения) и классом обслуживания трафика, передачи.
Пусть /> - по-прежнему означаетчисло запросов, а 1//> означает усредненноевремя определяемым допустимым временем интенсивности пуассоновского потока обслуживаниясообщений в узле. Соответственно, /> означает нагрузку,обслуживаемую узлом LSР-маршрута. Обслуживание же этой нагрузки узлами, входящимив данный LSP — маршрут, и является основной работой данного фрагмента сети MPLS.
В контексте поставленной задачи для поиска стратегии принятиярешения об организации LSP-туннеля для оценки альтернативного варианта суммарноговремени V2 (N) пребывания пакета в LSP — пути без туннеля допустимо использоватьВ-формулу Эрланга в качестве адекватной оценки, позволяющей произвести сравнениес V1 (N).
На рисунке 12 представлены оба варианта передачи сообщений приналичии или при отсутствии LSP — туннеля. В первом случае суммарное время пребыванияпакета в сети равно V1 (N), а во втором случае время пребывания тогоже пакета в сети равно V2 (N). Для аналитического исследования ситуацииотсутствия LSР — туннеля узел n, передающий пакеты по LSP, целесообразно описатьс помощью модели M/M/1/K со скоростью передачи /> пакетов в секунду и максимальным числом k пакетов, и котороеон может хранить в своей буферной памяти. Пакеты в этой модели являются теми жесамыми, что в случае организации туннеля, а ограничение на размер буфера выбранотак, чтобы условия в вариантах наличия или отсутствия туннеля были бы абсолютноодинаковы.
/>
Рисунок 12 — MPLS тунеллирование
Инженерные различия между MPLS и традиционным туннелированиемсостоит в модели топологии MPLS. Традиционные туннели всегда проходят от одной границыдо другой насквозь через сеть. В случае MPLS туннели могут создаваться внутри сетидля управления трафиком только в части сети, т. е в LSP из М маршрутизаторов отвходящего LSR1 до исходящего LSRm можно создать LSP-туннель,например, от входящего LSR5 до исходящего LSRn, при N
РЕШЕНИЕ
Эффект от организации туннеля, равен разности V1 иV2. При этих предположениях предлагается следующий алгоритм:
Шаг 1. Полагается N = М.
Шаг 2. Для n = 1,2,., N определяются величины размера пачки вKn по формуле:
/>. (3.1)
Шаг 3. Определяется время V2 (N) пребывания пакетав LSP — пути сети MPLS из N узлов (маршрутизаторов) без организации LSР — туннеляпри наличии ограниченной очереди к узлу n длиной Kn по формуле:
 
/>. (3.2)
Шаг 4. Определяется время V1 (N) пребывания пакетав LSР — туннеле из N узлов по формуле (3.3).
Математический анализ этих двух явлений эффекта туннелированияMPLS позволяет вывести следующую формулу для времени пребывания пакета в туннелеиз N узлов:
/>, (3.3)
где/> — постоянная Эйлера (/>), N > 2.
Шаг 5. Сравниваются величины V1 (N) и V2(N). При положительной разнице V1 (N) и V2 (N) организациятуннеля между первым узлом и узлом N не представляется целесообразной. В противномслучае принимается решение организовать туннель между первым узлом и узлом n, иработа алгоритма завершается.
/>,
/>
/>
/>
Рисунок 13 — Результаты расчетов при ρ=0,60
/>
/>
/>
/>
Рисунок 14 — Результаты расчетов при ρ=0,70
/>
/>
/>
/>
Рисунок 15 — Результаты расчетов при ρ=0,80
Данный алгоритм позволяет выбрать эффективный LSР — туннель где-товнутри фрагмента сети MPLS из М узлов (маршрутизаторов) или отказаться от данныхпопыток. Само по себе решение об организации LSР — туннеля согласно предложенномуздесь алгоритму сводится к анализу двух (с туннелем и без туннеля) значений среднегосовокупного времени пребывания пакета в узлах от 1 до узла N. Этот последний узелN «подозревается» на предмет того, что он может быть граничным исходящимузлом LSP — туннеля. Справедливость этого подозрения и проверяется сравнением V2и V1.
Допустим, сеть включает 10 узлов, соединяемых LSP, через которыеможно создавать LSP — туннели. Все буферы имеют размеры k пакетов.
Выигрыш во времени от организации туннеля равен разности V1и V2. Нагрузка на LSP колеблется в диапазоне от р = 0,60 до р = 0,80.Результаты расчетов представлены на рисунках 13-15.
На этих рисунках видно, что при всех р эффективна организациятуннеля во всем LSP — пути, т.е. при N /> 10.
Заключение
В данном курсовом проекте в первом задании был произведен расчетпроизводительности узла доступа с учетом структуры нагрузки, поступающей от абонентов,пользующихся различными видами услуг. Мы выявили, что пользователи обычной телефониипри ее преобладающем количестве, загружают систему меньше всех, в то время как пользователитретьей группы, пользующиеся всеми видами услуг (телефония, передача данных и видео)занимают порядка 95 % передаваемого трафика, несмотря на то, что они составляетвсего лишь 5% от общего числа пользователей.
Было рассчитано среднее число пакетов в секунду для двух выбранныхкодеков. Для кодека G.711u NΣ_сек1 =2,014·106пакетов в секунду, а для G.723m NΣ_секj = 20.31·106 пакетовв секунду. Данные показатели позволяют оценить требования к производительности маршрутизатора,агрегирующего трафик мультисервисной сети доступа NGN.
Во втором задании были произведены расчеты, определяющие среднююдлительность обслуживания одного пакета, интенсивность обслуживания, а также требуемуюполосу пропускания. Было получено, что при передаче одного и того же объема информациипри использовании кодека со сжатием G.723m необходима меньшая полоса пропускания,чем при использовании кодека без сжатия G.711u. При использовании кодека со сжатием G.723m необходима полоса пропускания />,а при использовании кодека без сжатия G.711u />
В третьем задании был произведен расчет математической моделиэффекта туннелирования в MPLS. Мы получили, что при различныхнагрузках (ρ=0,60; 0,70; 0,80) возможна эффективная организация туннеля междупервым узлом и узлом N (N=10).
Список литературы
1. Будников В.Ю., Пономарев Б.А. Технологии обеспечения качества обслуживанияв мультисервисных сетях / Вестник связи. — 2000. — №9.
2. Варакин Л. Телекоммуникационный феномен России / Вестник связи International.- 1999. — №4.
3. Варламова Е. IP-телефония в России / Connect! Мир связи. — 1999.- №9.
4. Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи. — т.1. — М.: Радио исвязь, 1998.
5. Гольдштейн Б.С., Ехриель И.М., Рерле Р.Д. Интеллектуальные сети.- М.: Радио и связь, 2000.
6. Казиева Г.С., Ползик Е.В. IP-телефония ивидеосвязь. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов всехформ обучения специальности 5В071900 — Радиотехника, электроника и телекоммуникации.- А., 2010.
7. Кузнецов А.Е., Пинчук А.В., Суховицкий А.Л. Построение сетей IP-телефонии.