В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Модели услуг мультисервисной сети связиThe models of services of a multiservice communication network

Основным видом телекоммуникационной сети связи единой сети электрической связи (ЕСЭС) Российской Федерации (РФ) является мультисервисная сеть связи (МССС) с использованием преимущественно пакетных методов передачи информации (данных), представляющая собой совокупность телекоммуникационных и информационных ресурсов, совместная эксплуатация которых направлена на удовлетворение потребностей пользователей сетей связи в традиционных и перспективных услугах электрической связи [3].

Для формирования моделей услуг и ресурсов МССС целесообразно использование известных принципов системного подхода в совокупности, а именно – принципа целеобусловленности, относительности, управляемости, связанности, моделируемости, симбиозности и оперативности [4]. Для учета специфики МССС, помимо принципов системного подхода, также целесообразно использовать изложенные в национальном стандарте (НС) [5] принципы анализа и проектирования, такие как:

• принцип абстрагирования, который определяет включение в модель только тех аспектов проектируемой системы, которые имеют непосредственное отношение к выполнению системой своих функций или своего целевого предназначения, и пропуск второстепенных деталей, чтобы не усложнять процесс анализа и исследования полученной модели;
• принцип многомодельности, представляющий собой утверждение о том, что никакая единственная модель не может с достаточной степенью адекватности описывать различные аспекты сложной системы, и достаточно полная модель сложной системы допускает некоторое число взаимосвязанных представлений, каждое из которых адекватно отражает некоторый аспект поведения или структуры системы, а наиболее общими представлениями сложной системы принято считать статическое и динамическое представления, которые, в свою очередь, могут подразделяться на другие частные представления;
• принцип иерархического построения моделей, определяющий необходимость рассмотрения процесса построения модели на разных уровнях абстрагирования или детализации в рамках фиксированных представлений, при котором исходная или первоначальная модель сложной системы имеет наиболее общее представление (метапредставление), строится на начальном этапе проектирования и может не содержать многих деталей и аспектов моделируемой системы.

Исходя из вышеизложенного, процессы анализа и проектирования МССС следует представлять как поуровневый спуск от наиболее общих моделей и представлений концептуального уровня к более частным и детальным представлениям логического и физического уровня. При этом на каждом из этих этапов данные модели последовательно дополняются все большим количеством деталей, что позволяет им более адекватно отражать различные аспекты конкретных реализаций МССС.

Рассмотрение процессов предоставления услуг ресурсами МССС целесообразно осуществлять на основе обобщенной модели предоставления услуг, под которой, в соответствии с рекомендациями международного форума по построению и развитию сетей пакетной передачи информации (данных) и предоставляемых ими услугах http://broadband-forum.org, понимается предоставление услуг электрической связи с заданным (требуемым) качеством посредством использования различных технологий, протоколов и сред передачи информации (данных) на любом порту абонентского оконечного устройства, если порт способен предоставлять данную услугу, любым выбираемым пользователем оператором связи. Например, после исключения из рассмотрения процедуры аутентификации, авторизации и аккаунтинга действий пользователя для технологии Digital Sub-scriver Line (xDSL) на стороне пользователя возможны реализации предоставления услуги передачи голосовой информации как на основе протоколов пакетной передачи данных с использованием абонентского модема, имеющего один или два порта Foreign/Exchange Station (FxS) и подключаемым к ним одного или двух аналоговых абонентских телефонов или непосредственным подключением к порту Registered Jack (RJ-45) модема абонентского телефона, поддерживающего передачу данных по протоколу Internet Protocol (IP), так и непосредственным использованием аналоговой низкочастотной части спектра подключением аналогового абонентского телефона к соответствующему FxS-порту сплиттера, подключаемого до модема. Эти же рассуждения имеют место при предоставлении услуги охранной сигнализации от различных организаций, ее предоставляющих, и, следствие, к как минимум двум различным аналогичным ранее рассмотренным вариантам ее предоставления для технологии xDSL, или, например, для технологии Passive Optical Network (PON) (вневедомственная охрана Федеральной службы войск национальной гвардии РФ, ЗАО "БалтАвтоПоиск" под торговой маркой "Аркан" и др.). Управление услугой доступа в сеть Интернет с использованием протоколов Point-to-Point Protocol (PPP) и IP может быть осуществлено заданием соответствующего имени (Hostname) сервера сети доступа Broadband Remote Access Server (BRAS), принадлежащего соответствующему оператору связи в параметре PPP.ACName конфигурационного файла PPP-интерфейса. Аналогично, для услуги передачи видеоинформации в конфигурации абонентского устройства (Set Top Box) достаточно правильно указать адрес Universal Resource Locator (URL) сервера, принадлежащего соответствующему оператору связи и предоставляющего эту услугу (Middleware), после чего конфигурирование абонентского оконечного устройства и предоставление услуг будет выполнено сервером автоматически.

Несмотря на все многообразие вариантов предоставления и видов услуг, в соответствии с техническим отчетом № 181 [6] в МССС целесообразно выделить следующие услуги, предоставляемые на основе протоколов пакетной передачи данных:

• услуга передачи информации (данных), характеризующаяся отсутствием жестких требований к процессу передачи (допускается произвольное многократное изменение скорости передачи в процессе передачи, возможны потери, переприемы, обрывы соединения и восстановление процесса передачи как с учетом информации состояния об уже принятых/переданных данных, так и без него и пр.);
• услуга передачи сообщений, являющаяся частным случаем услуги передачи информации (данных) и в общем случае характеризующаяся отсутствием требований к необходимости непосредственной одновременной готовности источника и приемника сообщений (сообщения электронной почты и др.);
• услуга передачи видеоинформации, налагающая существенные требования по пропускной способности передаваемых данных в единицу времени, порядку следования пакетов, отсутствию потерь и видам трафика передаваемой информации (данных);
• услуга передачи голосовой информации, налагающая жесткие требования к процессу передачи данных, минимальной пропускной способности среды передачи информации (данных), а также к отсутствию случайных задержек распространения и потерь пакетов при передаче;
• услуга управления активным телекоммуникационным оборудованием (ТКО), также характеризующаяся жесткими требованиями к отсутствию потерь пакетов при передаче данных и к достоверности передаваемой информации.

Анализ процессов предоставления услуг МССС позволяет утверждать только то, что, как правило, достаточно полно известны только основные количественные значения параметров услуг, характеризующие их предоставление (см. табл. 1).

Под термином "физическая скорость порта" в табл. 1 понимается максимально возможная скорость передачи/приема информации (данных) для данного порта и принимается, что удаленный порт поддерживает эти скорости. Например, для схемы, приведенной в приложении Б НС [8], и симметричной физической скорости порта 100 Мбит/с передача одного файла (размером несколько Гбайт в один поток) с использованием протоколов Hyper Text Transport Protocol (HTTP), Transmission Control Protocol (TCP) и IP осуществляется с максимальной устанавливающейся скоростью 11,2 Мбит/с, что составляет 89,6 Мбит/с. Таким образом, служебная информация, обусловленная использованием совокупности протоколов HTTP/TCP/IP, составляет приблизительно 10% от физической скорости порта. Приблизительно это же процентное соотношение количества служебной информации к физической скорости порта в единицу времени при передаче/приеме с использованием протоколов HTTP/TCP/IP получается и при использовании других протоколов (File Transfer Protocol (FTP) и др.), размеров (Кбайт, Мбайт и др.) и количества файлов (от 10 до 100), количества потоков (от 10 до 30) и физических скоростей портов (1 Гбит/с и др.).

Для оценки закона распределения промежутков времени между моментами времени начала предоставления двух услуг одного наименования (оценки интенсивности предоставления услуг) МССС с коммутацией пакетов был выполнен анализ классических [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15] и современных [16, 17, 18, 19] отечественных и зарубежных монографий и публикаций, посвященных анализу и моделированию сетей связи, который позволяет сделать следующие выводы:

• входящий поток сообщений, подчиняющийся распределению Пуассона (или являющийся марковским или полумарковским) не в полной мере позволяет оценить процессы, происходящие в МССС с коммутацией пакетов;
• предоставление услуги с требуемым качеством не означает того, что для ее предоставления использовано достаточно высокое значение приоритета;
• использование высокого значения приоритета для услуги не означает того, что услуга будет предоставляться с требуемым качеством;
• в МССС имеется множество процессов, для которых не созданы модели или получены лишь частичные результаты;
• для учета особенностей предоставления услуг МССС с коммутацией пакетов предлагается использование самоподобных потоков сообщений, обладающих ограниченным последействием.

Последний вывод требует более детального рассмотрения в связи с тем, что самоподобные потоки в МССС с коммутацией пакетов имеют место только в установившейся сетевой конфигурации МССС (см. рис. 1 а), и их вид достаточно существенно видоизменяется с учетом следующих объективных случайных и/или предопределенных событий, происходящих как в МССС, так и вовне МССС, таких как:

• регламентные работы в МССС в часы наименьшей нагрузки, характеризующиеся установлением пользователям некоторой минимальной пропускной способности, позволяющей использовать только услуги передачи данных и сообщений (см. рис. 1 б);
• рабочие и выходные (праздничные) дни, характеризующиеся существенным увеличением использования пропускной способности МССС в связи с большим использованием дополнительных видов обслуживания для услуг передачи данных и сообщений (локальные ресурсы, турбокнопка и пр.) и тенденцией плавного уменьшения этого увеличения к завершению периода нескольких идущих подряд выходных (праздничных) дней (см. рис. 1 в);
• аварии в МССС и/или нарушения в работе электрических сетей, и/или неуспешные плановые регламентные работы в МССС, приведшие к аварии ("плановые" аварии), оказывающие влияние на абонентское оконечное оборудование МССС и характеризующиеся резким уменьшением количества используемой пропускной способности МССС в случайные моменты времени (см. рис. 1 г);
• ночные ускорения как дополнительный вид обслуживания для услуг передачи данных и сообщений, характеризующиеся не менее чем двукратным скачкообразным увеличением количества используемой пропускной способности МССС по расписанию в часы наименьшей нагрузки и последующим скачкообразным уменьшением в соответствии с расписанием (см. рис. 1 д).

В связи с тем, что некоторые события в МССС могут оказывать влияние на появление и/или повторное появление других событий, перечисленные выше случайные события не обладают в полной мере свойством независимости в совокупности. Таким образом, все вышеизложенное обуславливает необходимость разработки новых моделей предоставления услуг и функционирования ресурсов МССС, позволяющих с требуемой адекватностью и точностью учитывать сложные процессы, происходящие в фиксированных и подвижных МССС с коммутацией пакетов, одной из важнейших характеристик которых, помимо уже отмеченных в табл. 1, является также интенсивность предоставления услуг пользователям.

Оценка интенсивности предоставления услуг МССС с коммутацией пактов на основе анализа протекающих в ней процессов заключается в анализе процессов предоставления услуг пользователям МССС и формулировании выводов о стационарности, ординарности и последействии входного потока запросов на предоставление услуг, основными из которых являются:

• процесс предоставления услуг МССС в общем случае не может рассматриваться как стационарный, что обусловлено отсутствием регламентации деятельности пользователей МССС и, как следствие, нерегулярностью порождения запросов на получение услуг МССС;
• неординарность предоставления услуг МССС обусловлена отличной от нуля вероятностью возникновения нескольких заявок на предоставление двух и более услуг в один и тот же момент времени, а в случае одновременного возникновения нескольких заявок на предоставление услуг соответствующая телематическая служба МССС осуществит их обработку последовательно (в порядке появления их в своей очереди), что обусловлено особенностями ее программной реализации, как, впрочем, и любой другой автоматизированной системы (АС), в том числе и АС "жесткого" реального времени [20];
• последействие обусловлено зависимостью некоторых услуг МССС от других услуг, что, в свою очередь, при предоставлении услуги одного типа может вызвать "всплеск" интенсивности запросов на предоставление услуг другого типа, порожденных данной услугой, а для некоторых услуг последействие присуще изначально ввиду наличия у человека как пользователя МССС известного в инженерной психологии эффекта, описанного Б.В. Зейгарник и заключающегося в том, что человек запоминает и стремится полностью завершить начатое и не законченное им действие [21], например осуществить телефонные переговоры с пользователем, который не ответил на вызов, поскольку в данный момент осуществляет телефонные переговоры с другим пользователем.

Исходя из вышеизложенного, следует выбрать закон распределения входного потока услуг МССС, который, с одной стороны, был бы близок к реальному, а с другой – имел программную реализацию и обеспечивал получение адекватных результатов. Одним из таких законов является нестационарное, непрерывное, неординарное и обладающее последействием гамма-распределение промежутков времени между моментами времени начала предоставления двух услуг МССС одного вида (см. табл. 2), которое представляется целесообразным использовать для кусочной аппроксимации интенсивности предоставления услуг МССС на соответствующих временных интервалах, представленных на рис. 1.

При выборе законов распределения значений параметров услуг МССС (см. табл. 1) представляется целесообразной ориентация на законы распределения случайных величин, изложенные в [22] и используемые в том числе при исследовании процессов, происходящих как в сетях связи, так и в других технических системах (см. табл. 2).

Отдельного рассмотрения требуют вопросы учета выполнения требования предоставления услуг МССС с задаваемыми значениями качества, а также контроль обеспечения качества предоставляемых услуг. Одним из механизмов обеспечения качества является разделение услуг, предоставляемых пользователю МССС по приоритетам на основе вида трафика, обеспечивающего эти услуги на уровнях звена данных (например, для [23] и [24]), сетевом (например, для протоколов IP версий 4 и 6) и, возможно, на транспортном (например, для протокола Stream Control Transmission Protocol (SCTP) или в соответствующей части стандарта IEEE 802.11s) уровнях эталонной модели взаимодействия открытых систем. Варианты разделения услуг МССС по приоритетам в соответствии с их видом приведены, например, в [23] и [24] а также, с некоторыми изменениями, в [6], получили реализацию в микропрограммном обеспечении ресурсов МССС, подлежат отдельному рассмотрению и принимаются в рассматриваемых моделях услуг МССС как ограничение.

Приведенные выше рассуждения о значениях параметров услуг МССС определяют метод имитационного моделирования как единственный практически доступный для получения информации о поведении МССС как сложной системы на этапах ее анализа и проектирования, обладающий требуемыми точностью, адекватностью и достоверностью результатов и позволяющий выявлять возможные критические ситуации, границы устойчивости режимов, осуществлять серии последовательно уточняемых моделей, получаемые промежуточные результаты которых имеют ясный физический смысл и облегчают обнаружение возможных ошибок и несоответствий.

Вместе с тем, имитационное моделирование имеет ряд недостатков, основными из которых являются трудоемкость разработки модели и достаточно существенные временные затраты на проведение серий экспериментов. Влияние перечисленных недостатков может быть снижено использованием высокопроизводительных СВТ, а также программных систем имитационного моделирования и/или алгоритмических языков программирования высокого уровня.

Для учета особенностей реализации метода имитационного моделирования на основе результатов ранее проведенных исследований и описанных выше рассуждений модели услуг МССС целесообразно описать с использованием их характеристик, приведенных в табл. 3. Вычисление соответствующих случайных значений суммарной пропускной способности среды передачи переданной/принятой информации, необходимой для выполнения предоставления соответствующей услуги, выполняется в момент времени поступления очередной услуги в модель МССС. Изменение значений параметров закона распределения промежутков времени между моментами времени начала предоставления двух услуг одного вида целесообразно выполнять периодически, например каждые 4 часа модельного времени.

Для повышения адекватности и достоверности моделей услуг МССС в ходе серий экспериментов при оценке результатов моделирования следует выполнять контроль соответствия получаемых количественных значений основных характеристик услуг значениям, приведенным в табл. 1, таких как среднее значение, максимальное значение и дисперсия [22] с использованием, например, подхода, изложенного в [25].

Достоверность результатов, получаемых в ходе моделирования, может быть априорно оценена с использованием известных методов определения числа испытаний, в свою очередь определяющих точность получаемых результатов моделирования с заданным уровнем значимости (доверительным интервалом).

Погрешность исходных данных для имитационных моделей в основном определяется источником их получения. В случае исследования системы, параметры которой известны не полностью, затруднительно предсказать величину отклонения значений входных параметров модели от значений исследуемой системы, точность которых определяется погрешностью измерений.

Таким образом, предлагаемые модели услуг МССС при выполнении перечисленных выше рекомендаций по оценке результатов моделирования обладают достаточной общностью, адекватностью, достоверностью и точностью. При этом модели услуг не зависят от технологий и/или сред передачи данных, необходимых для их предоставления, и позволяют осуществить моделирование услуг для соответствующих технологий, и/или протоколов, и/или сред передачи информации, обладающих требуемой для предоставления услуг пропускной способностью и характеризующихся совокупностью значений соответствующих параметров. n

Литература

1. ГОСТ Р 53801–2010 Связь федеральная. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2011. С. 27.
2. ГОСТ Р 53633.2–2009 Информационные технологии. Сеть управления электросвязью. Расширенная схема деятельности организации связи (eTOM). Декомпозиция и описания процессов. Процессы уровня 2 eTOM. Основная деятельность. Управление и эксплуатация ресурсов. М.: Стандартинформ, 2011. С.11.
3. Журавель Е.П. Постановка задачи синтеза структуры мультисервисной сети связи ограниченного пользования и способ ее решения // Информация и космос. – 2015. № 4. С. 40–48.
4. Морозов В.П., Дымарский Я.С. Элементы теории управления ГАП: Математическое обеспечение. Л.: Машиностроение, 1984. С. 334.
5. ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-2010 Информационная технология. Системная и программная инженерия. Процессы жизненного цикла программных средств. М.: Стандартинформ, 2011. С. 100.
6. Технический отчет № 181 международного форума по построению и развитию сетей пакетной передачи данных и предоставляемых ими услугах. [online]. Доступ через: http://www.broadband-forum.org/technical/downlo-ad/TR-181_Issue-2_Amendment-10.pdf (дата обращения: 18.01.2016).
7. Журавель Е.П. Классификация современных телекоммуникационных сетей связи и средств технологиче-
8. ского и оперативно-технического управления // Информация и космос. – 2015. № 3. С. 29–35.
9. ГОСТ Р 53632-2009 Показатели качества услуг доступа в Интернет. Общие требования. М.: Стандартин-форм, 2011. С. 16.
10. Клейнрок Л. Коммуникационные сети (стохастические потоки и задержки сообщений). М.: Наука, 1970. С. 256.
11. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979. С. 432.
12. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979. С. 600.
13. Мартин Дж. Вычислительные сети и распределенная обработка данных: программное обеспечение, методы и архитектура. Выпуск 1. М.: Финансы и статистика, 1985. С. 256.
14. Мартин Дж. Вычислительные сети и распределенная обработка данных: программное обеспечение, методы и архитектура. Выпуск 2. М.: Финансы и статистика, 1986. С. 269.
15. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. В 2-х частях. Ч.1. М.: Наука, 1992. С. 336.
16. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. В 2-х частях. Ч.2. М.: Наука, 1992. С. 272.
17. Paxson V., Floyd S. Wide Area Traffic: The Failure of Poisson Modeling. [online]. Доступ через: http://www.csl.mtu.edu/cs6461/www/Reading/Paxson-ton95.pdf (дата обращения: 19.01.2016).
18. Бестругин А.Р., Богданова А.Ф., Стогов Г.В. Контроль и диагностирование телекоммуникационных сетей. СПб.: Политехника, 2003. С. 174.
19. Шелухин О.И., Осин А.В., Смольский С.М. Самоподобие и фракталы. Телекоммуникационные приложения. М.: Физматлит, 2008. С. 368.
20. Привалов А.Ю., Благов А.В. Аппроксимационные модели самоподобного трафика сетей передачи данных. Saarbrucken: LAP LAMBERT, 2013. С. 120.
21. Зыль С.Н. Операционная система реального времени QNX: от теории к практике. 2-е изд., СПб.: БХВ-Петербург. 2004. С. 192.
22. Zeigarnik B. Das Behalten erledigter und unerledigter Handlungen. [online]. Доступ через: http://interruptions.net/literature/Zeigarnik-Psychologische-Forschung27.pdf (дата обращения: 15.03.2016).
23. Королюк В.С., Портенко Н.И., Скороход А.В., Турбин А.Ф. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. М.: Наука, 1985. С. 640.
24. Международный стандарт ассоциации специалистов в области радиоэлектроники и электротехники в области информационных технологий 802.1D, [online]. Доступ через: http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.1D-2004.pdf (дата обращения: 16.03.2016).
25. Запрос комментариев № 3270 международной экспертной группы технического инжиниринга сети Интернет: [online]. Доступ через: https://tools.ietf.org/rfc/rfc3270.txt (дата обращения: 16.03.2016).
26. Патент Российской Федерации на изобретение № 2281548. Устройство для параметрической оценки закона распределения потоков сообщений // Е.П. Журавель, Я.М. Копчак, А.И. Осадчий, И.Б. Паращук, Хасан Талал Мухсин. М.: ФИПС, 2006. С. 32.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #5, 2016
Посещений: 4599

Автор Евгений Журавель Главный специалист производственно-научного центра, АО "Научно-исследовательский институт "Рубин", к.т.н. Всего статей:  2

В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций