Расчет трафика сжатых пакетов

Некоммерческое акционерное общество
Алматинский университет энергетики исвязи
Кафедра телекоммуникационных систем
Специальность МРС
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине
IP-телефония и видеосвязь
тема:
Расчет трафика сжатых пакетов
Выполнил: Ангальд Л.В
Группа МРС-07-02
Руководитель: Сейсенова Д.О.
Алматы 2011

 
Содержание
 
Введение
Задача 1
1.1 Провести расчётпроизводительности узла доступа с учётом структуры нагрузки поступающей отабонентов, пользующихся различными видами услуг
1.2 Факторы, влияющие на качестворечи и выбор кодека
1.3 Расчёт числа пакетов от первойгруппы (телефония)
1.4 Расчёт числа пакетов от второйгруппы (телефония и интернет)
1.5 Расчёт числа пакетов от третьейгруппы абонентов (triple play)
1.6 Требования к производительностимультисервисного узла доступа
Задача 2
Требования к полосе пропускания,гарантии качества обслуживания
Задача 3
Составить математическую модель эффекта туннелированияв MPLS, которая представляет собой сеть массового обслуживания споследовательными очередями.
Заключение
Список литературы
 

 
Введение
Работа устройств в сетиИнтернет осуществляется с использованием специального протокола IP (InternetProtocol — протокол межсетевого взаимодействия). В настоящее время IP протоколиспользуется не только в сети Интернет, но и в других сетях передачи данных спакетной коммутацией (локальных, корпоративных, региональных). И во всех этихсетях, имеется возможность передавать речевые сообщения с использованием пакетовданных. Такой способ передачи речи получил название IP-телефония.
В широком смысле основнаязадача IP-телефонии заключается в обеспечении естественного речевого или видеообщения как минимум двух лиц, являющихся абонентами различных коммуникационныхсетей, посредством сети связи с коммутацией пакетов. IP-телефония позволяетсущественно экономить требуемую полосу пропускания каналов, что неизбежно ведётк снижению тарифов, особенно на междугородние и международные телефонныеразговоры.
 

 
Задача1
 
1.1Провести расчёт производительности узла доступа с учётом структуры нагрузкипоступающей от абонентов, пользующихся различными видами услуг
Исходныеданные:Группа абонентов
1, π1 в% 60
2, π2 в% 35
3, π3 в% 5 Вызовов в час fi 4 Средняя длительность разговора 4 минут 2 Объем переданных данных в наибольшей нагрузки V2, байт/с 20 Объем переданных данных в наибольшей нагрузки V3, байт/с 85 Время просмотра видео в час наибольшей нагрузки Тв, минут 45 Мультисервисный узел доступа обслуживает N, абонентов 3200 Кодек Скорость передачи, кбит/с Длительность датаграммы, мс
Задержка пакетизации,
мс Полоса пропускания для двух направленного соединения. кГц Задержка в джиттер-буфере Теоретическая максимальная оценка MOS G.711a 64 20 1 174,4 2 дата-граммы, 40 мс 4,4 G.729 8 20 25 62,4 2 дата-граммы, 40 мс 4,07
Расчетпроизводительности узла доступа проводят с учетом всех абонентов, пользующихсяуслугами. Три группы клиентов:
-  пользователи телефонии, π1
-  пользователи телефонии и передачиданных, π2;
-  пользователи телефонии, передачиданных и видео, π3
Каждаягруппа абонентов совершает в среднем fi вызовов в час средней длительностью ti минут. Для второй итретьей группы, необходимо задать объем переданных данных в час наибольшейнагрузки, величина обозначается Vj, Мбайт/с. Третья группа будетхарактеризоваться еще временем просмотра видео в час наибольшей нагрузки Тв минут,мультисервисный узел доступа обслуживает N абонентов.
1.2Факторы влияющие на качество речи и выбор кодека
Первостепеннымифакторами, определяющими качество голоса являются выбор аудиокодека, времязадержки, джиттер и потери пакетов.
Аудиокодеки- важнейший элемент терминалов Н.323. Они позволяют уменьшить необходимую ширинуголосового канала при сохранении требуемого качества речи. Различных схемсжатия достаточно много, но большинство устройств Н.323 используют кодеки,стандартизированные ITU.пользовательские приложения (например, NetMeeting) могут поддерживатьнеобходимые кодеки, выбирая тот или иной посредством протокола Н.245.
Скоростьоцифровки — определенная битовая скорость, до которой кодек сжимает голосовойканал 64 Кбит/с. Для большинство кодеков она составляют 6,4 и даже 5,3 Кбит/с.Однако следует иметь в виду, что это только скорость сжатия речи. При передачепакетированного голоса по сети расчет потерь протоколов (например, RTP/UDP/IP/Ethernet) скорость, вплоть до скоростипередачи данных.
Задержкаимеет фиксированную и переменную составляющие. Фиксированная задержкаопределяется расстоянием, тогда как переменная зависит от меняющихся сетевыхусловий. Общая задержка складывается из различных компонентов. Рассмотримнаиболее значимые из них:
-Сетевая задержка вносится узловыми элементами сети VoIP. Для ее минимизации необходимосократить число узлов сети на пути пакетов между абонентами. Некоторыепровайдеры способны обеспечить задержки на своих сетях, не превышающиеопределенный уровень. Кроме того, для уменьшения сетевой задержки речевомутрафику задают высший приоритет по отношению к нечувствительному к задержкампотоку данных.
-Задержка кодека вносится каждым алгоритмом сжатия.Например, G.723 добавляет фиксированную задержкув 30 мс. У других кодеков встроенная задержка может быть меньше, но при этомвозможно снижение качества речи или увеличение требуемой полосы пропускания.
-Буфер компенсации джиттера также вносит свою задержку.Джиттером называют отклонения от средней задержки следования пакетов. Задержкаможет быть различной для каждого пакета, в результате чего, отправленные черезравный интервал, они прибывают неравномерно, а то и не в исходнойпоследовательности. Так как алгоритм декомпрессии требует фиксированного интерваламежду поступлением пакетов, в шлюзе необходим буфер компенсации джиттера. Онзадерживает поступающие пакеты, чтобы передавать их устройству декомпрессии с заданныминтервалом. Кроме того, он также фиксирует любые ошибки, контролируя номерпоследовательности в полях сообщений протокола RTP. Однако буфер компенсации зачастую вносит весьмазначимую задержку. Его размер задают таким, чтобы буферизовать целое количествопакетов с учетом ожидаемого значения джиттера. Как правило, для каждогонаправления задержка буфера составляет 80 мс.
Выборразмера пакета также влияет на качество речи. Пакеты большого размеразначительно уменьшают необходимую ширину полосы пропускания, но добавляютзадержку пакетирования, так как передатчик тратит больше времени, чтобызаполнить пакет. «Накладные расходы» при пакетной передаче VoIP достаточно высоки. Рассмотримсценарий, где голос сжимается до 8 Кбит/с, а пакеты посылаются каждые 20 мс.Таким образом, размер речевой информации в каждом пакете — 20 байт. Однакочтобы передать эти пакеты по RTP, кним нужно добавить: заголовок Ethernet — 14 байт, заголовок IP — 20 байт, заголовок UDP — 8 байт идополнительные 12 байт для RTP. Вобщей сложности 54 лишних байта, чтобы передать 20 байт голоса.
Основнымимеханизмами обеспечения QoS (Quality of Service) являются: пакетная передача данных. NGN как сеть с коммутацией пакетовотвечает модели системы с ожиданием (ТфОП соответствует модели системы спотерей вызовов). Заявка, поступившая в момент занятости всех каналов, непокинет систему, а будет поставлена в очередь. Пакетизированный голос расходуетполосу пропускания гораздо экономнее — при молчании абонентов информация не передается.Наличие «временного запаса». Временной запас (Тз) — это разница междукритическим временем доставки информации к абоненту и реальным временемпрохождения пакетов через сеть.
Временнойзапас Тз, который в традиционных сетях связи пренебрегается, в NGN оперативно предоставляется другимприложениям, что в целом благотворно сказывается на параметрах QoS /13/.
1.3Расчёт числа пакетов от первой группы (телефония)
Рассчитаемчисло пакетов создаваемых пользователями телефонии, использующие выбранные ранеекодеки.
Рассчитаемпараметры сети для двух кодеков соответственно варианту. При этом в секундупередаётся
/>, (кадров всекунду) (1.1)
ДляG.711а
/>кадр/с (т.е.без сжатия)

G.729
/> кадр/с (т.е.со сжатием)
Размерпакетизированных данных
hj = Vj·TPDU (1.2)
где Vj, — скорость кодирования, байт/с;
Т PDU -длительность одной речевой выборки(длительность пакета).
РассчитаемVj — скорость кодирования, байт/с; hj — размер пакетизированных данных длядвух выбранных согласно варианту кодеков (индекс j соответствует 1-первый кодек без сжатия, 2- второй кодек сосжатием).
Прииспользовании кодека скорость кодирования
Vj = RGJ/8, (байт/с) (1.3)
ДляG.711а
/>байт/с (т.е.без сжатия)
G.729
/>байт/с (т.е.со сжатием)
Следовательно,h1 = 8000 ·20·10-3=160 байт (т.е. без сжатия)
h2 = 1000 ·20·10-3=20 байт(т.е. со сжатием)
Дляопределения размера пакета необходимо учесть заголовки:
-  IP — 20 байт;
-  UDP — 8 байт;
-  RTP — 12 байт.
Суммарныйразмер пакета для кодека без сжатия
рΣП = ро+ Шз + ГВЗ+ КЕЗб байт (1ю4)
hΣG1 = 160 + 20+ 8+ 12=200 байт (т.е. без сжатия)
hΣG2 = 20 + 20+ 8+ 12=60 байт (т.е. со сжатия)
Дляопределения числа пакетов, генерируемых первой группой абонентов, необходимоучесть их долю в общей структуре пользователей, количество вызовов в часнаибольшей нагрузки, среднюю длительность разговора.
Т1о= тдо∙ео∙а1∙π1∙Т(1ю5)
где N1j, — число пакетов, генерируемое первой группойпользователей в час наибольшей нагрузки;
n1j — число пакетов, генерируемых всекунду одним абонентом;
t1 — средняя длительность разговора всекундах для первой группы
абонентов;
f1 — число вызовов в час наибольшейнагрузки для первой группы
абонентов;
π1 — доля пользователей группы 1 в общей структуре абонентов;
N — общее числопользователей.
N11 = 50∙120∙4∙0,6∙3200=4,608·107(т.е. без сжатия)
N12 = 50∙120∙4∙0,6∙3200=4,608·107(т.е. со сжатием)

 
1.4Расчёт числа пакетов от второй группы (телефония и интернет)
Рассуждения,приведённые для первой группы абонентов, в полной мере можно применить и ковторой группе для расчёта числа пакетов, возникающих в результате пользованияголосовыми сервисами. Разница будет лишь в индексах.
N2_Tj = n2j∙t2∙f2∙π2∙N(1.6)
где N2_Tj — число пакетов, генерируемое второйгруппой пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании голосовыхсервисов;
n2j — число пакетов, генерируемых всекунду одним абонентом;
t2 — средняя длительность разговора всекундах для второй группы абонентов;
f2 — число вызовов в час наибольшейнагрузки для второй группы абонентов;
π2 — доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов;
N — общее числопользователей.
N2_T1 = 50∙120∙4∙0,35∙3200=2,688·107(т.е. без сжатия)
N2_T2 = 50∙120∙4∙0,35∙3200=2,688·107(т.е. со сжатием)
Длярасчета числа пакетов, генерируемых второй группой пользователей прииспользовании сервисов передачи данных, необходимо задаться размером пакетов.При построении сети NGN, как правило, на одном или нескольких участках сети науровне звена данных используется та или иная разновидность технологии Ethernet, поэтому использовать пакеты,превышающие максимальную длину поля данных Ethernet, не имеет смысла.Использование пакетов большого размера затрудняет обеспечение качестваобслуживания и на магистральной сети, и в сети доступа.
Длярасчёта числа пакетов в час наибольшей нагрузки необходимо задаться объёмомпереданных данных. Предположим, что абоненты второй группы относятся кинтернет-серверам, т.е. в основном просматривают вебстраницы. Средний объёмданных, переданных за час при таком способе подключения, составит около V2.
Числопакетов, переданных в ЧНН, будет равно:
N2_j = π2 N V2j/h2j (1.7)
где N2_j — количество пакетов, генерируемых в час наибольшейнагрузки абонентами второй группы при использовании сервисов передачи данных;
π2 — доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов;
h2j — размер поля данных пакета;
N — общее число пользователей.
N2_1 = 0,35∙3200∙20/160=140(т.е. без сжатия)
N2_2 = 0,35∙3200∙20/20=1120(т.е. со сжатием)
Суммарноечисло пакетов, генерируемых второй группой пользователей в ceть в часнаибольшей нагрузке, будет равно
N2J=N2_Tj + N2_j(1.8)
N21=2,688·107+140 =2,6880140·107 (т.е. без сжатия)
N22=2,688·107+ 1120 =2,6881120·107 (т.е. со сжатием)
1.5Расчёт числа пакетов от третьей группы абонентов (triple play)
Всерассуждения, проведённые относительно первых двух групп, остаются в силе и длятретьей группы, применительно к сервисам передачи голоса, а именно:
Т3_Ео=т3о е3_Е а3 π3∙Т (1ю9)
где N3_T — число пакетов, генерируемое третьей группой пользователей в час наибольшейнагрузки при использовании голосовых сервисов;
n1j — число пакетов, генерируемых всекунду одним абонентом;
t3 — средняя длительность разговора всекундах;
f3 — число вызовов в час наибольшейнагрузки;
π3 — доля пользователей группы 3 в общей структуре абонентов;
N — общее числопользователей.
N3_T1 =50∙120∙4∙0,05∙3200=3,84∙106(т.е. без сжатия)
N3_T2 =50∙120∙4∙0,05∙3200=3,84∙106(т.е. со сжатием)
Предположим,что абоненты третьей группы относятся к «активным» пользователям интернета,т.е., используют не только http,но и ftp, а также прибегают к услугампиринговых сетей. Объём переданных и принятых данных при таком использованииинтернета составляет до V3. Числопакетов, переданных в ЧНН, будет равно
N3_j = π3∙N∙V3/hj (1.10)
N3_j = 0,05∙3200∙85/160=85 (т.е. без сжатия)
N3_j = 0,05∙3200∙85/20=680 (т.е. со сжатием)
Одной изнаиболее перспективных и динамически развивающихся услуг является IPTV — передача каналов телевещания спомощью протокола IP. Приорганизации данного сервиса для каждого пользователя в транзитной сети доступане требуется выделения индивидуальной полосы пропускания. До мультисервисногоузла доходит определённое количество каналов, которые распределяются междузаказчиками услуги, причём существует возможность организации широковещательнойрассылки.
Например,при скорости передачи v иразмере полезной нагрузки пакета h,число пакетов, возникающих при трансляции одного канала, равно:
n3j = v/hj(1.11)
n31 = 8000/160=50 (т.е. без сжатия)
n32 =1000/20= 50 (т.е. со сжатием)
Количествопакетов, передаваемых по каналами в ЧНН, составит
N3i_Bj= π3∙N∙n3i∙t3B_ (1.12)
где N3i_b — число пакетов, генерируемое третьейгруппой пользователей в час наибольшей нагрузки при использованиивидео-сервисов сервисов;
n3i- число пакетов, генерируемых всекунду одним абонентом при использовании просмотре видео, сжатого по стандартуMPEG2;
t3B- среднее время просмотра каналов вЧНН, сек;
π3-доля пользователей группы 3 в общей структуре абонентов;
N — общее числопользователей.
N31_B1=0,05∙3200∙50∙45∙60=2,16∙107(т.е. без сжатия)
N32_B2=0,05∙3200∙50∙45∙60=2,16∙107(т.е. со сжатием)
Суммарноечисло пакетов, генерируемых третьей группой пользователей и сеть в час наибольшейнагрузке, будет равно
N3j = N3 J_T+N3j+N3j_b(1.13)
N31=3,84∙106+85+2,16∙107=/>2,5440085∙107(т.е.без сжатия)
N32=3,84∙106+680+2,16∙107= 2,544068∙107 (т.е. со сжатием)
1.6Требования к производительности мультисервисного узла доступа
Мультисервисныйузел доступа должен обслуживать трафик от всех трёх групп пользователей. Крометого, именно узел доступа должен обеспечить поддержку качества обслуживанияпутем приоритезации трафика, которая должна осуществляться независимо отиспользуемой технологии транспортной сети доступа.
Суммарноечисло пакетов, которое должен обработать мультисервисный узел доступа, будетравно:
hΣG1= N1j+ N2j+ N3j= n1j t∙fπ1∙N+(n1j t2 f2 π2∙N+ π2∙N V2/hj)+
+( n3j t3 f3 π3∙N+ π3∙N V3/hj+π3∙N n3j t3_B) (1.14)
Учитывая,что:
t1=t2 = t3 = t — средняя длительность разговора в секундах;
f3= f2= f1= f — число вызовов в ЧНН;
получим
hΣG1= N∙(n1j t f (π1+ π2+π3)∙N V2/hj)+N/hj (π2∙V2 +π3∙V3)+ π3∙N n3j t3_B)
Учитывая,что π1+ π2+ π3=1, получим
рΣо=Т•(т1о • е • а + (π2∙М2+π3∙М3).ро) + π3 Т• т3о • е3_И
hΣG1= N11+ N21+ N31= 9,84·107 байт (т.е. безсжатия)
hΣG2= N12+ N22+ N32= 9,84·107 байт (т.е. сосжатием)
Среднеечисло пакетов в секунду рассчитывается для двух выбранных кодеков и равно
NΣ_секj= NΣj/3600, (1.17)
hΣ_сек1= hΣ1/3600=2,733∙104 байт
hΣ_сек2= hΣ2/3600=2,733∙104байт
Данныепоказатели позволяют оценить требования к производительности и маршрутизатора,агрегирующего трафик мультисервисной сети доступа NGN.
Анализируетсякак и какие группы сети больше всего загружают систему для рассчитываемых длинпакетов.
Таблица 1.1
Количествопередаваемых пакетов в сек для трех групп пользователей количество передаваемых пакетов в сек G.711 а G.729
1 группа (π1),%
4,608·107
4,608·107
2 группа (π2) ,%
2,6880140·107
2,6881120·107
3 группа (π3) ,%
2,5440085∙107
2,544068∙107
/>
Рисунок1.2 — Пример доли передаваемых пакетов тремя группами
Изграфика видно, что наибольший передаваемый трафик идет на первую группу прикодеке G.711а и G.729, которая составляет 60% от общего числа пользователей. Пользователиобычной телефонии, при ее преобладающем количестве, загружают систему большевсех.

 
Задача2
 
Требованияк полосе пропускания определяются гарантиями качества обслуживания,предоставляемыми оператором пользователю. Параметры QoS описаны в рекомендации ITU Y. 1541. В частности, задержка распространения из конца вконец при передаче речи не должна превышать 100 мс, а вероятность превышениязадержки порога в 50 мс не должна превосходить 0,001, т.е.
tp
p{tp>50Mc}
Задержкаиз конца в конец складывается из следующих составляющих:
tp = tgfrtn + tfl + tcore + t,ea(2/1)
где tp — время передачи пакета из конца вконец;
tпакет — время пакетизации (зависит от типатрафика и кодека);
tад — время задержки при транспортировкев сети доступа;
tсore — время задержки при распространениив транзитной сети;
tбуф — время задержки в приёмном буфере.
Применениенизкоскоростных кодеков «съедает» основную часть бюджета задержки. Задержка вприёмном буфере также велика, поэтому на сеть доступа и транспортная сетьдолжны обеспечивать минимальную задержку.
Допустим,что задержка сети доступа не должна превышать 5 мс. Время обработки заголовка IP-пакета близко к постоянному.Распределение интервалов между поступлениями пакетов соответствуетэкспоненциальному закону. Поэтому для описания процесса, происходящего наагрегирующем маршрутизаторе, можно воспользоваться моделью M/G/1.
Дляданной модели известна формула, определяющая среднее время вызова в системе(формула Полячека- Хинчина) /19/.
 
/> (2.2)
где τj, — средняя длительность обслуживанияодного пакета;
/> — квадрат коэффициента вариации, />
λj,- параметр потока, из первой задачи NΣ_секj ;
tа∂ — среднее время задержки пакета всети доступа, t = 0,005 с.
Ненулевойкоэффициент вариации учитывает возможные отклонения при использовании взаголовках IP полей ToS. Кроме того, время обработки IP-пакета в значительной мере зависит от используемых намаршрутизаторе правил обработки.
Изформулы (2.2) следует зависимость максимальной величины для среднейдлительности обслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сетидоступа.
/> (2.3)
Построим данныезависимости при помощи прикладной программы MathCad.
/>
Рисунок 3- Зависимостьмаксимальной величины для средней длительности обслуживания одного пакета отсреднего времени задержки в сети доступа для кодека G.711
Интенсивностьобслуживания связана со средним временем задержки пакета в сети доступа обратнопропорционально:
/> (2.4)
ДляG.711а
/>
ДляG.729
/>
/>
/>
Время должновыбираться как минимальное из двух возможных значений. Первое значение — величина, полученная из последней формулы. Второе значение — та величина,которая определяется из условия ограничения загрузки системы — р. Обычно этавеличина не должна превышать 0,5.
Присреднем значении задержки в сети доступа 5 мс коэффициент использования равен:
ρj=λj∙τj(0.005) (2.5)
ρ1=/>
ρ2=/>
Притаком высоком использовании малейшие флуктуации параметров могут привести кнестабильной работе системы. Определим параметры-системы при её использованиина 50%. Средняя длительность обслуживания будет равна
/> (2.6)
/>
Определиминтенсивность обслуживания при этом
/> (2.7)
/>
/>
Задержкаи сети доступа рассчитывается по формуле:
/>
/>
/>
Рассчитыватьвероятность />при известных λ и τнецелесообразно, т.к. в Y.1541вероятность P{t>50Mc}
Приизвестном среднем размере пакета h,определяем требуемую полосу пропускания
φj =βj∙hj (бит/с)  (2.8)
/>
Сравнимполученные результаты
/>
Рисунок2 – Полоса пропускания
Изграфика видно, что для передачи одной и той же информации, то есть одногообъема при использовании услуги Triple Play, необходимаразличная полоса пропускания, в нашем случае при использовании кодека G.711 а с длиной пакета 160 байтнеобходима большая полоса пропускания, чем при использовании кодека G.729 с длиной пакета 20 байт.
Предположим,что в структурном составе абонентов отсутствуют группы пользователейиспользующие видео. При этом в вышеприведённом анализе следует опустить расчётчисла пакетов, возникающих при использовании сервисов высокоскоростной передачиданных и видеоуслуг.
Числогенерирующих пакетов, возникающих в ЧНН, будет равно
N1 = Ntel + Nint = N •/>(2 9)
N2 = Ntel + Nint = N •/>
где Ntel — число пакетов телефонии,генерируемое всеми пользователями
в часнаибольшей нагрузки;
Nint — числопакетов интернета, генерируемое второй группой
пользователейв час наибольшей нагрузки
π2H — доля пользователей группы 2 вобщей структуре абонентов
nj — число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при
использованиикодека G.711;
t- средняядлительность разговора в секундах;
f — число вызововв час наибольшей нагрузки;
N — общее числопользователей.
Числопакетов в секунду:
/> (2 10)
/>
/>
Среднеевремя обслуживания одного пакета при норме задержки 5 мс:
/>
/>
Коэффициентиспользования:
ρj=λ j∙τj (0.005),
/>
Прииспользовании системы на 50%:
/>
/>
/>
/>
Требуемаяпропускная способность:
φj =βj∙hj (бит/с)
/>
Для второго кодекапроводим аналогичные вычисления. Сравним полученные результаты.
/>
Рисунок3 — Пример отображения результатов расчета: требуемая полоса пропускания
Изграфика видно, что для передачи информации одного объема, необходима различнаяполоса пропускания, в данном случае при использовании кодека G.711а с длиной пакета 160 байтнеобходима большая полоса пропускания, чем при использовании кодека G.729 с длиной пакета 20 байт.
мультисервисный пакет кодек тунеллирование

Задача 3
 
Составить математическую модельэффекта туннелирования в MPLS, которая представляет собой сеть массовогообслуживания с последовательными очередями.
Определить:
— время пребывания пакета в туннелеиз N узлов V1 (N);
— время V2(N) пребыванияпакета в LSP — пути сети MPLS из N узлов (маршрутизаторов) без организации LSР– туннеля для различных нагрузок ρ1, ρ2, ρ3,обслуживаемых узлом LSP-маршрута.
Построить виртуальный тракт LSP, коммутируемый по меткам.
Построить графики по результатамрасчетов при различных ρ.
Провести расчет математическоймодели эффекта туннелирования в MPLS, применив MATHCAD или другую программу.
На основе результатов расчетасравнить различные варианты и сделать выводы о возможности организации туннелямежду первым узлом и узлом N.
Исходные данные
Таблица 3.1число маршрутизаторов N
ρ1
ρ2
ρ3
/>, с-1 m 10 0.75 0.85 0.95 1000 1.08
Здесь:
/>-интенсивностьвходного потока заявок.
/> -среднеевремя обслуживания в системе М/М/m встационарных условиях
/> нагрузка,обслуживаемая узлом LSР- маршрута.
m — поправочный коэффициентРешение
Основное отличие технологии MPLS – IP — маршрутизаторы анализируютзаголовок каждого пакета, чтобы выбрать направление для его пересылки кследующему маршрутизатору, в технологии MPLS заголовок анализируется толькоодин раз на входе в сеть, после чего устанавливается соответствие между пакетоми потоком.
Принцип коммутации MPLS основываетсяна обмене меток. Любой передаваемый пакет ассоциируется с тем или иным классомсетевого уровня FEC (Forwarding Equivalence Class), каждый из которых идентифицируетсяопределенной меткой. Значение метки уникально лишь для участка пути междусоседними узлами сети MPLS, которые называются также маршрутизаторами,коммутирующими по меткам LSR (Label Switching Router). На рисунке 1 пограничныймаршрутизатор LSR1 — входной, а LSR4 -выходной маршрутизатор.Последовательность маршрутизаторов (LSR1,..., LSR4), через которые проходятпакеты, 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 егозаголовке, что открывает ряд возможностей.
/>
Рисунок 3.1
Существует еще одно весьма важноедостоинство MPLS – возможность в рамках архитектуры MPLS вместе с пакетомпередавать не одну метку, а стек меток.
Операции добавления/изъятия меткиопределены как операции на стеке (push/pop). Результат коммутации задает лишьверхняя метка стека, нижние же передаются прозрачно до операции изъятияверхней. Такой подход позволяет создавать иерархию потоков в сети MPLS иорганизовывать туннельные передачи.
Речь идет о возможности управления вMPLS всем трактом передачи пакета без специфицирования в явном видепромежуточных маршрутизаторов. Это достигается путем создания туннелей черезпромежуточные маршрутизаторы, которые могут охватывать несколько сетевыхсегментов, как это изображено на рисунке 1.
Все пограничные маршрутизаторы MPLS(LER1, LER2, LER3 и LER4) используют протокол BGP и создают коммутируемый пометкам тракт LSP между ними (LSP1). LER1 знает о том, что его следующий пунктназначения — LER2, поскольку он передает данные от отправителя, которые должныпройти через два сегмента сети. В свою очередь, LER3 знает о том, что егоследующий пункт назначения — LER4, и т.д. Эти пограничные четыре LER будутиспользовать протокол LDP для получения и хранения меток от выходного LER (LER4в данном сценарии) вплоть до входного LER (LER1).
/>
Рисунок 3.2
Однако для того, чтобы данные былипереданы от LER1 к LER2, они должны пройти через несколько (в данном случаетри) транзитных маршрутизаторов LSR. Таким образом, между двумя LER (LER1 иLER2) создается отдельный тракт LSP (LSP2) (рис.2), который охватывает LSR1, LSR2 и LSR3. Он, в сущности, представляет собой туннель между этими двумя LER. Метки в этомтракте отличаются от меток, которые LER создали для LSPl.
/>
Рисунок 3.3
Это справедливо и для LER3 и LER4,равно как и для LSR, находящихся между ними. Для этого последнего сегментасоздается тракт LSP3. Для достижения этого результата, при передаче пакетачерез два сетевых сегмента используется концепция стека меток. Поскольку пакетдолжен следовать через LSP1, LSP2 и LSP3, он будет переносить одновременно двеотдельные метки. Пары, используемые для каждого сегмента, следующие: дляпервого сегмента — метка для LSP1 иLSP2, для второго сегмента — метка для LSP1 и LSP3.
Когда пакет покидает первую сеть ипринимается пограничным маршрутизатором LER2 (рис.3), тот удаляет метку дляLSP2 и заменяет её на метку для LSP3, заменяя при этом метку LSP1 внутри пакетана метку следующей пересылки. LER4 удаляет обе метки перед отправкой пакетаадресату.
Математическая модель эффектатуннелирования в MPLS представляет собой сеть массового обслуживания споследовательными очередями.
Оцениваемыми параметрамиявляются:
— Среднее времяобслуживания без прерывания (период занятости) и среднее время пребыванияпакета в n-м узле.
— Обслуживаемые за периодзанятости (т.е. непрерывно, без освобождения) пакеты объединяются в группу навыходе узла и называются пачкой.
— Средняя длина такойпачки выражается числом пакетов. На вход граничного узла 1 поступаетпуассоновский поток сообщений с интенсивностью входного потока заявок /> и среднимвременем обслуживания /> в системе М/М/m в стационарных условиях (при /> является такжепуассоновским с той же интенсивностью />). Но при последовательносоединенных очередях мы не можем рассматривать каждый узел независимо отдругих.
Если мы рассматриваем дваследующих один за другим сообщения на узле n (n /> 2), интервал времени между поступлениемэтих двух сообщений зависит от времен поступления и обслуживания на предыдущихузлах.
/>
Рисунок 3.4
Специфическое поведение первого узла(n = 1) очевидно и связано с тем, чтосообщения поступают напрямую, не проходя через какой-либо узел. Спецификарежима работы второго узла (n = 2)может рассматриваться как реальный источник пачек сообщений. Сложностьповедения пакетов в нем обусловлена двумя явлениями:
а) сцеплением пачек, исходящих отпервого узла;
б) фрагментацией этих же пачек.
Первое явление сцепленияотносится не только ко второму, но и к любому не первому узлу n (n /> 1) и связано с тем, первый пакетk — ой пачки догоняет на этом узле последний пакет (k — l) — ой пачки, и обепачки – k — я и (k — 1)-я — соответствующим образом сцепляются, как этопоказано на рисунке 4. Второе явление фрагментации, которое иллюстрируетрисунок 5, не столь очевидно и имеет место только во втором узле, но тожевполне 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 которогопревышает время обслуживания пакета j. Пусть на следующем втором узле в этотмомент нет очереди, и пакет jобслуживается, как только он поступает на узел 2, пакеты j + 1 и j начинаютобслуживаться одновременно на узлах 1 и 2, соответственно. Когда пакет j затем покидает узел 2, пакет j+1 всё ещё продолжает обрабатыватьсяна узле 1, поскольку время его обслуживания дольше.
/>
Рисунок 3.5
Математический анализ этих двухявлений эффекта туннелирования MPLS позволяет вывести следующую формулу длявремени пребывания пакета в туннеле из N узлов:
/>,(3.1)
где/> — постоянная Эйлера (/>),
N > 2.
Формула (3.1) позволяет рассчитатьцелесообразность организации туннеля в LSP для индивидуальных пар «исходящийузел — узел назначения» при заданных загрузке сети р и нормативах качестваобслуживания. С ее помощью дается можно показать, что отдельные туннелированныеLSP в наиболее реалистических случаях, вероятно, должны являтьсяпредпочтительным режимом работы.
Рассмотрим маршрут в МРLS- сети, который состоит из Nузлов и физических каналов передачи данных между ними. Маршрут соответствуеттрем объектам: LSRи (LSR источника), LSRн (LSRназначения) и классом обслуживания трафика, передачи.
Пусть />-прежнему означает числозапросов, а 1//>означает усредненное времяопределяемым допустимым временем интенсивности пуассоновского потокаобслуживания сообщений в узле. Соответственно, /> означает нагрузку, обслуживаемуюузлом LSР- маршрута. Обслуживание же этой нагрузки узлами, входящими в данныйLSP- маршрут, и является основной работой данного фрагмента сети MPLS.
В контексте поставленной задачипоиска стратегии принятия решения об организации LSP- туннеля для оценкиальтернативного варианта суммарного времени V2(N) пребывания пакетав LSP- пути без туннеля допустимо использовать В-формулу Эрланга в качествеадекватной оценки, позволяющей произвести сравнение с V1 (N).
На рисунке 6 представленыоба варианта передачи сообщений при наличии или при отсутствии LSP- туннеля. Впервом случае суммарное время пребывания пакета в сети равно V1 (N),а во втором случае время пребывания того же пакета в сети равно V2(N).Для аналитического исследования ситуации отсутствия LSР- туннеля узел n,передающий пакеты по LSP, целесообразно описать с помощью модели M/M/1/K соскоростью передачи /> пакетов в секунду и максимальнымчислом k пакетов, и которое он может хранить в своей буферной памяти. Пакеты вэтой модели являются теми же самыми, что в случае организации туннеля, аограничение на размер буфера выбрано так, чтобы условия в вариантах наличия илиотсутствия туннеля были бы абсолютно одинаковы.
/>
Рисунок 3.6
Инженерные различия между MPLS итрадиционным туннелированием состоит в модели топологии MPLS. Традиционныетуннели всегда проходят от одной границы до другой насквозь через сеть. Вслучае MPLS туннели могут создаваться внутри сети для управления трафиком тольков части сети т.е. в LSP из М маршрутизаторов от входящего LSR1 доисходящего LSRm можно создать LSP-туннель, например, от входящегоLSR5 до исходящего LSRn, при N
Произведем расчет дляопределения организации туннеля.
Шаг 1. Полагается N = М=10.
Шаг 2. Для n = 1,2, ..., N определимвеличины размера пачки в Kn по формуле
/>.(3.2)
При />=0.75, />=4 7 10 13 16 19 22 25 28 31
При />=0.85, />=6,7 12,3 18 23,7 29,3 35 40,7 46,3 52 57,7
При />=0.95, />=20 39 58 77 96 115 134 153 172 191
Шаг 3. Определим время V2(N)пребывания пакета в LSP — пути сети MPLS из N узлов (маршрутизаторов) безорганизации LSР — туннеля при наличии ограниченной очереди к узлу n длиной Knпо формуле
/>. (3.3)
Для />=0.75, />=V2(N) 1,3 4,2 7,7 11,8 15,7 20 24,2 28,5 32,9 N 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Для />=0.85, />=V2(N) -8,5 -5,9 --1 5,2 11,8 18,8 25,9 33,1 40,3 N 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Для />=0.95, />=V2(N) -189,4 -209,7 -208,5 -196,3 -179 -159,2 -138,4 -117,1 -95,6 N 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Шаг 4. Определим время V1(N)пребывания пакета в LSР — туннеле из N узлов по формуле (1)
/>
Для />=0.75, />=V1(N) 5,4 8 11,4 15,2 19,2 23,5 28 32,6 37,4 N 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Для />=0.85, />=V1(N) 6.6 9.9 13.9 18.3 23 28 33.1 38.3 43.7 N 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Для />=0.95, />=V1(N) 9 13.6 18.8 24.4 30.3 36.4 42.8 49.2 55.8 N 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Шаг 5. Сравним полученныевеличины V1(N) и V2(N). При положительной разнице V1(N)и V2(N) организация туннеля между первым узлом и узлом N непредставляется целесообразной.
Построим графики пополученным результатам:
/>
Рисунок 3.7 — Графикзависимости V1(N) и V2(N) от N при />=0.75
/>
Рисунок 3.8 — Графикзависимости V1(N) и V2(N) от N при />=0.85
/>
Рисунок 3.9 — Графикзависимости V1(N) и V2(N) от N при />=0.95
Данный алгоритм позволяет выбратьэффективный LSР — туннель где-то внутри фрагмента сети MPLS из М узлов(маршрутизаторов) или отказаться от данных попыток. Само по себе решение оборганизации LSР- туннеля согласно предложенному здесь алгоритму сводится канализу двух (с туннелем и без туннеля) значений среднего совокупного временипребывания пакета в узлах. Сеть включает 10 узлов, соединяемых LSP, черезкоторые можно создавать LSP- туннели.
Из рисунков видно, чтопри р = 0,75, р = 0,85, р = 0,95 организация туннеля не требуется.

 
Заключение
В настоящее времяIP-телефония получила достаточно широкое распространение. Многие компании имеютпредставительства в разных странах мира и им приходиться тратить большиесредства на междугородние и международные переговоры, поэтому IP-телефония,позволяющая тратить на это меньше средств, была сразу же востребованапотребителем. Также развитие IP-телефонии уже сейчас вынуждает операторовтрадиционной связи снижать тарифы на междугородние и международные переговоры.
Продолжает развиватьсяНациональная сеть передачи данных, осуществляется модернизация и реконструкциятелефонной сети общего пользования, формируются информационные ресурсы,расширяется перечень современных и перспективных услуг телекоммуникаций,включающий такие услуги как: электронный документооборот; электроннаякоммерция; дистанционное обучение; мультимедиа; телеконференции; IP-телефония.

 Список литературы
1. Кузнецов А.Е., Пинчук А. В.,Суховицкий А.Л. Построение сетей IP-телефонии / Компьютерная телефония.- 2000.-№6.
2. Кульгин М. Технологиикорпоративных сетей: Изд. «Питер», 1999.
3. Гольдштейн Б.С. Протоколы сетидоступа. т. 2.- М.: Радио и связь, 1999.
4. Гольдштейн Б.С., Ехриель И.М.,Рерле Р.Д. Интеллектуальные сети.- М.: Радио и связь, 2000.