eng
Выпуск #4/2020
В.Зайцев, Н.Соколов
ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ СЕТЕЙ ДОСТУПА И ОЦЕНКА СОЗДАВАЕМОГО ТРАФИКА
ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ СЕТЕЙ ДОСТУПА И ОЦЕНКА СОЗДАВАЕМОГО ТРАФИКА
Просмотры: 4459
DOI: 10.22184/2070-8963.2020.89.4.64.68
Обсуждаются тенденция продолжающегося роста пропускной способности в процессе модернизации сетей доступа и задача оценки трафика, создаваемого пользователями. Соотношение между величиной создаваемого трафика и необходимой пропускной способностью элементов телекоммуникационной системы, которая обеспечивает заданные показатели качества предоставления услуг, было хорошо изучено в эпоху доминирования телеграфии и телефонии. По мере включения данных и видео в состав нагрузки телекоммуникационных сетей, поддерживающих диалоговые услуги, возник ряд новых задач, которые потребовали пересмотра ряда положений теории телетрафика. В статье анализируются тенденции эволюции сетей доступа с точки зрения роста ее пропускной способности и приводятся результаты исследований, направленных на оценку параметров пакетного трафика.
Обсуждаются тенденция продолжающегося роста пропускной способности в процессе модернизации сетей доступа и задача оценки трафика, создаваемого пользователями. Соотношение между величиной создаваемого трафика и необходимой пропускной способностью элементов телекоммуникационной системы, которая обеспечивает заданные показатели качества предоставления услуг, было хорошо изучено в эпоху доминирования телеграфии и телефонии. По мере включения данных и видео в состав нагрузки телекоммуникационных сетей, поддерживающих диалоговые услуги, возник ряд новых задач, которые потребовали пересмотра ряда положений теории телетрафика. В статье анализируются тенденции эволюции сетей доступа с точки зрения роста ее пропускной способности и приводятся результаты исследований, направленных на оценку параметров пакетного трафика.
Теги: access network network bandwidth telecommunication system telecommunication traffic teletraffic theory пропускная способность сети сеть доступа телекоммуникационная система теория телетрафика трафик телекоммуникационный
ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬсетей доступа и оценка создаваемого трафика
В.Зайцев, аспирант СПбГУТ / zaitsev_v@protei.ru,
Н.Соколов, д.т.н., директор по науке ООО "ПРОТЕЙ СТ"
УДК 621.391
Введение
На страницах журнала "ПЕРВАЯ МИЛЯ" авторы уже опубликовали несколько статей [1–4], напрямую связанных с тематикой данной работы. Задачи разработки эффективных сценариев дальнейшего развития сетей доступа остаются актуальными. Более того, ряд процессов, типичным примером которых служит рост пропускной способности сетей доступа, не вступили, против ожидания значительной части научного сообщества, в фазу насыщения, а получили новый импульс развития. Анализ тенденции дальнейшего роста пропускной способности сетей доступа представлен в первом разделе статьи.
Максимальная скорость обмена данными в сети доступа, как правило, бывает востребована в сравнительно короткие периоды времени. Для рационального построения тех фрагментов телекоммуникационной системы, которые по уровням иерархии находятся выше сети доступа, необходимо исследовать характер обслуживаемого мультисервисного трафика, востребованного пользователями. Результаты исследования некоторых характеристик этого трафика, представляющего собой поток пакетов, приведены во втором разделе статьи.
Третий раздел данной статьи содержит ряд положений, которые уместно рассматривать как направления для дальнейших исследований. Они связаны как с системно-сетевыми вопросами, так и с новыми задачами, решаемыми методами теории телетрафика.
Рост пропускной способности сетей доступа
В эпоху использования сетей доступа для телеграфной и телефонной связи вполне приемлемыми номиналами пропускной способности были канал тональной частоты (ТЧ) в спектре 0,3–3,4 кГц, а позже – основной цифровой канал (ОЦК) со скоростью обмена информацией 64 кбит/с. Затем сформировался спрос на передачу данных. Для их передачи по каналу ТЧ были разработаны модемы со скоростями 600, 1200, 2400, 4800, 9600 бит/с и выше. Переход к ОЦК позволил задействовать номиналы скоростей вплоть до 64 кбит/с, затем стали использовать пропускную способность нескольких ОЦК.
В начале 80-х годов прошлого века многие специалисты считали, что спрос на диалоговые услуги (в их состав не входила передача видеоинформации) будет полностью удовлетворен за счет использования ресурса, который предоставлялся цифровой сетью интегрального обслуживания. Она более известна по англоязычному сокращению ISDN – Integrated Services Digital Network [5]. Основной доле пользователей концепция ISDN предлагала доступ, который включал два ОЦК и один служебный канал с пропускной способностью 16 кбит/с.
Убежденность в достаточности такого ресурса на уровне сети доступа имела под собой вполне разумные обоснования. В частности, на одной из дискуссий, организованной в рамках авторитетной научной конференции, прозвучала такая оценка: даже на скорости 32 кбит/с за сутки можно передать (правда, без иллюстраций) содержание Малой советской энциклопедии, которая содержит колоссальный объем знаний. В те годы казалось, что включение видеоинформации в состав диалоговых услуг, что, кстати, позволило бы объединить сети, различные по функциональным возможностям, потребует не столь существенно повысить пропускную способность сети доступа.
Опуская дальнейший исторический экскурс и анализ допущенных просчетов, перейдем к ситуации, которая сложилась к 20-м годам 21 века. Каждый рабочий день на сайте https://www.commsupdate.com публикуется информация о проектах развития сетей доступа в разных странах. В текущем году о планах предоставления пользователям доступа на скорости 1 Гбит/с и выше (вплоть до 10 Гбит/с) сообщили операторы связи Италии, Великобритании, Новой Зеландии, Австрии, Сербии, Нидерландов, Канады и ряда других стран.
В [2] были приведены соображения, касающиеся причин такого роста пропускной способности сети доступа, а также предложена соответствующая модель для прогнозирования этого процесса, которая основана на трактовке концепции "Окна Овертона" [6] с технической точки зрения. На рис.1 на отрезке времени t продолжительностью в двадцать лет показана экспоненциальная тенденция роста скорости обмена данными в сети доступа C, опубликованная в статье [7]. Характер этой зависимости соответствует вертикали Снукса – Панова [8].
Очевидно, что данные, публикуемые на сайте https://www.commsupdate.com, подтверждают оценку C на 2020 год.
Далее возникает резонный вопрос: означает ли такой рост скорости обмена данными в сети, что аналогичными темпами должна повышаться производительность узла коммутации (УК), который расположен на нижнем уровне иерархии телекоммуникационной системы? Для ответа на этот вопрос необходим анализ трафика, обслуживаемого сетями доступа. Некоторые результаты такого анализа приведены в следующем разделе статьи.
Анализ трафика, обслуживаемого сетями доступа
Скорость обмена данными в сети доступа колеблется в широких пределах. По этой причине для каждого i-го направления, включенного в УК, уместно оперировать функцией Ci(t). Эта функция при заданных показателях качества обслуживания мультисервисного трафика позволяет оценить пропускную способность i-го направления в УК, обозначаемую далее как Gi, за счет использования методов теории телетрафика [9, 10].
На первый взгляд, суммарная пропускная способность УК, равная H, может оцениваться суммой всех значений Gi. Такое решение приводит к заметному росту инвестиций, необходимых для построения сети доступа. Однако периоды времени, в течение которых наблюдаются пиковые значения Ci(t), как правило, не совпадают [9, 10]. Данный факт позволяет выбирать решения, для которых справедливо следующее неравенство:
Насколько значение H меньше правой части этого неравенства, можно определить по результатам анализа входящего трафика. Модель, позволяющая провести такой анализ, показана на рис.2. В современных телекоммуникационных сетях трафик можно рассматривать как последовательность IP-пакетов, которая в терминах теории телетрафика трактуется как поток заявок. На вход системы телетрафика, которая является математической моделью УК, поступает n потоков заявок. Зависимость Ai(t) представляет собой функцию распределения длительности интервалов между моментами поступления заявок. Величина pi определяет долю заявок, поступающих из i-го направления.
Если измерены или оценены иным способом значения интенсивности потока для каждого i-го направления λ(i), то величины pi рассчитываются из очевидного соотношения:
Функциональные блоки, названные сумматором и разделителем, в составе УК отсутствуют. Они выделены искусственно – для пояснения процессов, происходящих в математической модели. Сумматор формирует поток A(t), знание характеристик которого позволяет найти величину H. Разделитель осуществляет обратную операцию – распределяет обработанные заявки по m направлениям.
Разделитель работает с выходящим потоком, для которого задана зависимость D(t). Она представляет собой функцию распределения длительности интервалов между моментами, в которые заявки покидают обслуживающее устройство. Функции обслуживающего устройства выполняет маршрутизатор. Он обрабатывает IP-пакеты (заявки) аппаратными средствами.
Рис.3а иллюстрирует процесс поступления IP-пакетов r1(t) от одного источника. Предполагается, что IP-пакеты приходят через постоянное время T. Ниже приведены варианты процесса r3(t), который описывает результаты суммирования трех потоков IP-пакетов. Каждый из суммируемых потоков представим процессом r1(t).
Варианты (б) и (в) на рис.3 соответствуют детерминированному входящему потоку заявок. Для такого потока ко
В.Зайцев, аспирант СПбГУТ / zaitsev_v@protei.ru,
Н.Соколов, д.т.н., директор по науке ООО "ПРОТЕЙ СТ"
УДК 621.391
Введение
На страницах журнала "ПЕРВАЯ МИЛЯ" авторы уже опубликовали несколько статей [1–4], напрямую связанных с тематикой данной работы. Задачи разработки эффективных сценариев дальнейшего развития сетей доступа остаются актуальными. Более того, ряд процессов, типичным примером которых служит рост пропускной способности сетей доступа, не вступили, против ожидания значительной части научного сообщества, в фазу насыщения, а получили новый импульс развития. Анализ тенденции дальнейшего роста пропускной способности сетей доступа представлен в первом разделе статьи.
Максимальная скорость обмена данными в сети доступа, как правило, бывает востребована в сравнительно короткие периоды времени. Для рационального построения тех фрагментов телекоммуникационной системы, которые по уровням иерархии находятся выше сети доступа, необходимо исследовать характер обслуживаемого мультисервисного трафика, востребованного пользователями. Результаты исследования некоторых характеристик этого трафика, представляющего собой поток пакетов, приведены во втором разделе статьи.
Третий раздел данной статьи содержит ряд положений, которые уместно рассматривать как направления для дальнейших исследований. Они связаны как с системно-сетевыми вопросами, так и с новыми задачами, решаемыми методами теории телетрафика.
Рост пропускной способности сетей доступа
В эпоху использования сетей доступа для телеграфной и телефонной связи вполне приемлемыми номиналами пропускной способности были канал тональной частоты (ТЧ) в спектре 0,3–3,4 кГц, а позже – основной цифровой канал (ОЦК) со скоростью обмена информацией 64 кбит/с. Затем сформировался спрос на передачу данных. Для их передачи по каналу ТЧ были разработаны модемы со скоростями 600, 1200, 2400, 4800, 9600 бит/с и выше. Переход к ОЦК позволил задействовать номиналы скоростей вплоть до 64 кбит/с, затем стали использовать пропускную способность нескольких ОЦК.
В начале 80-х годов прошлого века многие специалисты считали, что спрос на диалоговые услуги (в их состав не входила передача видеоинформации) будет полностью удовлетворен за счет использования ресурса, который предоставлялся цифровой сетью интегрального обслуживания. Она более известна по англоязычному сокращению ISDN – Integrated Services Digital Network [5]. Основной доле пользователей концепция ISDN предлагала доступ, который включал два ОЦК и один служебный канал с пропускной способностью 16 кбит/с.
Убежденность в достаточности такого ресурса на уровне сети доступа имела под собой вполне разумные обоснования. В частности, на одной из дискуссий, организованной в рамках авторитетной научной конференции, прозвучала такая оценка: даже на скорости 32 кбит/с за сутки можно передать (правда, без иллюстраций) содержание Малой советской энциклопедии, которая содержит колоссальный объем знаний. В те годы казалось, что включение видеоинформации в состав диалоговых услуг, что, кстати, позволило бы объединить сети, различные по функциональным возможностям, потребует не столь существенно повысить пропускную способность сети доступа.
Опуская дальнейший исторический экскурс и анализ допущенных просчетов, перейдем к ситуации, которая сложилась к 20-м годам 21 века. Каждый рабочий день на сайте https://www.commsupdate.com публикуется информация о проектах развития сетей доступа в разных странах. В текущем году о планах предоставления пользователям доступа на скорости 1 Гбит/с и выше (вплоть до 10 Гбит/с) сообщили операторы связи Италии, Великобритании, Новой Зеландии, Австрии, Сербии, Нидерландов, Канады и ряда других стран.
В [2] были приведены соображения, касающиеся причин такого роста пропускной способности сети доступа, а также предложена соответствующая модель для прогнозирования этого процесса, которая основана на трактовке концепции "Окна Овертона" [6] с технической точки зрения. На рис.1 на отрезке времени t продолжительностью в двадцать лет показана экспоненциальная тенденция роста скорости обмена данными в сети доступа C, опубликованная в статье [7]. Характер этой зависимости соответствует вертикали Снукса – Панова [8].
Очевидно, что данные, публикуемые на сайте https://www.commsupdate.com, подтверждают оценку C на 2020 год.
Далее возникает резонный вопрос: означает ли такой рост скорости обмена данными в сети, что аналогичными темпами должна повышаться производительность узла коммутации (УК), который расположен на нижнем уровне иерархии телекоммуникационной системы? Для ответа на этот вопрос необходим анализ трафика, обслуживаемого сетями доступа. Некоторые результаты такого анализа приведены в следующем разделе статьи.
Анализ трафика, обслуживаемого сетями доступа
Скорость обмена данными в сети доступа колеблется в широких пределах. По этой причине для каждого i-го направления, включенного в УК, уместно оперировать функцией Ci(t). Эта функция при заданных показателях качества обслуживания мультисервисного трафика позволяет оценить пропускную способность i-го направления в УК, обозначаемую далее как Gi, за счет использования методов теории телетрафика [9, 10].
На первый взгляд, суммарная пропускная способность УК, равная H, может оцениваться суммой всех значений Gi. Такое решение приводит к заметному росту инвестиций, необходимых для построения сети доступа. Однако периоды времени, в течение которых наблюдаются пиковые значения Ci(t), как правило, не совпадают [9, 10]. Данный факт позволяет выбирать решения, для которых справедливо следующее неравенство:
Насколько значение H меньше правой части этого неравенства, можно определить по результатам анализа входящего трафика. Модель, позволяющая провести такой анализ, показана на рис.2. В современных телекоммуникационных сетях трафик можно рассматривать как последовательность IP-пакетов, которая в терминах теории телетрафика трактуется как поток заявок. На вход системы телетрафика, которая является математической моделью УК, поступает n потоков заявок. Зависимость Ai(t) представляет собой функцию распределения длительности интервалов между моментами поступления заявок. Величина pi определяет долю заявок, поступающих из i-го направления.
Если измерены или оценены иным способом значения интенсивности потока для каждого i-го направления λ(i), то величины pi рассчитываются из очевидного соотношения:
Функциональные блоки, названные сумматором и разделителем, в составе УК отсутствуют. Они выделены искусственно – для пояснения процессов, происходящих в математической модели. Сумматор формирует поток A(t), знание характеристик которого позволяет найти величину H. Разделитель осуществляет обратную операцию – распределяет обработанные заявки по m направлениям.
Разделитель работает с выходящим потоком, для которого задана зависимость D(t). Она представляет собой функцию распределения длительности интервалов между моментами, в которые заявки покидают обслуживающее устройство. Функции обслуживающего устройства выполняет маршрутизатор. Он обрабатывает IP-пакеты (заявки) аппаратными средствами.
Рис.3а иллюстрирует процесс поступления IP-пакетов r1(t) от одного источника. Предполагается, что IP-пакеты приходят через постоянное время T. Ниже приведены варианты процесса r3(t), который описывает результаты суммирования трех потоков IP-пакетов. Каждый из суммируемых потоков представим процессом r1(t).
Варианты (б) и (в) на рис.3 соответствуют детерминированному входящему потоку заявок. Для такого потока ко