Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

КИС_Лекции / Глава 4

.pdf
Скачиваний:
84
Добавлен:
15.03.2015
Размер:
1.12 Mб
Скачать

Глава 4 ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕТЕЙ КОММУТАЦИИ

____________________________________________________________________________________

При использовании кодека G.723 (tcod=37.5 мс, tdес=7.5 мс, bw=26.1 Кбит/с, LEN=98 байт) максимальное число одновременных соединений составит

V=INT(BW/bw)=58. Подставляя в (4.8.1) значения EV(A)=0.005, V=58, находим поступающую нагрузку A=43.0 Эрланг. Используя исходные данные, в соответствии с (4.7.5–4.7.6) последовательно находим

V = 58 – максимальное число соединений в маршрутизаторе,

M = VEL/LEN = 2612.2 с -1 – интенсивность обслуживания пактов интерфейсом маршрутизатора,

L = V*bw/LEN = 1930.0 с -1 – максимальную интенсивность поступления пакетов, tr = (M – L)-1 = 1.46 мс – среднюю задержку в одном маршрутизаторе при

максимальном числе установленных соединений (случайном месте обслуживания), Rbuf = LEN = 98 байт – емкость буфера очереди в маршрутизаторе,

tbuf = S * tr = 4.64 мс – допустимый сетевой джиттер при максимальном числе

установленных соединений,

te2e = tcod + S*tr +tbuf+ tdec = 64.31 мс – задержку пакета “из конца в конец” с вероятностью не менее 0.95 при проходе S однотипных маршрутизаторов,

Hbuf = tbuf*bw= 15 байт – емкость буфера хоста для компенсации джиттера, trmax = (V–1)*LEN/VEL = 21.8 мс – максимальную задержку в одном

маршрутизаторе (при последнем месте обслуживания),

N = A/a = 430 – число абонентов в коммутаторе пакетов.

Таким образом, сети коммутации пакетов с интегральным обслуживанием обеспечивают качество обслуживания, сравнимое с системами коммутации каналов. Однако по абонентской емкости они имеют преимущество перед сетями с коммутацией каналов только при использовании кодеков со сжатием информации.

4.8.2. Система с дифференцированным обслуживанием Система с дифференцированным обслуживанием аналогична системе

коммутации с ожиданием. В соответствии с SLA (соглашением об уровне обслуживания) провайдер резервирует оператору суммарную полосу передачи BW, которая ограничивает максимальную интенсивность нагрузки приоритетных потоков. Каждый маршрутизатор каждому классу равно приоритетных потоков выделяет часть от суммарной полосы BWi и общую для них очередь. При занятом интерфейсе поступивший пакет ставится в конец очереди в своем буфере очереди. За один период прохода всех очередей из каждой очереди считываются стоящие первыми в очереди пакеты. Объем считанных пакетов из каждой очереди прямо пропорционален ширине выделенной для этого приоритета полосы. При высокой интенсивности поступления равно приоритетных потоков в буфере очереди могут оставаться не обслуженные пакеты, которые будут обслужены при следующем проходе очередей. Максимальный объем буфера очереди в маршрутизаторе для высокоприоритетных пакетов выбирается исходя из допустимой задержки в маршрутизаторе, т.к. такой пакет с большой вероятностью будет отброшен приемным хостом из-за превышении сетевой задержки tnet. Исходя из независимости обслуживания пакетов каждым маршрутизатором, допустимая задержка прохождения пакета через маршрутизатор не может превысить значения trmax = tnet/S = (tsum – tcod – tdec)/S. Поскольку время передачи одного пакета равно t1=LEN/BWi, то максимальное число пакетов в буфере очереди маршрутизатора не может превысить Qpac = trmax/ t1= BWi*trmax/LEN, а емкость буфера очереди в маршрутизаторе для приоритетных потоков – Rbuf = BWi*trmax.

247

Ю.Ф.Кожанов, Колбанев М.О ИНТЕРФЕЙСЫ И ПРОТОКОЛЫ СЕТЕЙ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ

________________________________________________________________________

За счет такой организации обслуживания в системе с дифференциальным обслуживанием достигается приемлемое значение сетевой задержки и потери пакетов, т.е. нормированное качество обслуживания.

Предположим, что речевыми приложениям выделено 75% скорости передачи интерфейса (VEL=2048 Кбит/с), т.е. BW=0.75VEL=1536 Кбит/с=192 Кбайт/с. Оставшимся мультимедийным приложениям гарантировано достается полоса (VEL – BW) = 512 Кбит/с.

Воспользуемся (4.4.9) для расчета D – интенсивности прохождения очередей через один маршрутизатор при нормированном качестве обслуживания

Fe (t) =1S 1 (D *tnet)k eD*tnet ,

k =0 k!

считая известными Fe(t) = 0.95, S=10, tnet = tsum – tcod – tdec, tsum = 150 мс.

При использовании кодека G.711 (tcod=10 мс, tdес=0 мс, bw=126.4 Кбит/с, LEN=158 байт) последовательно находим

D = 112.2 с -1 – интенсивность прохождения очередей в маршрутизаторе,

M = BW/LEN = 1215.2 с -1 – интенсивность обслуживания пактов интерфейсом маршрутизатора,

L = M – D = 1102.9 с -1 – максимальную интенсивность поступления пакетов, tr = (M – L)-1 = 8.91 мс – среднюю задержку в одном маршрутизаторе,

trmax = tnet/S = 14.0 мс – допустимая задержка прохождения пакета через маршрутизатор,

Qpac = BW*trmax/LEN = 17 – максимальное число пакетов в буфере очереди маршрутизатора,

Rbuf = BW*trmax = 2688 байт – емкость буфера очереди в маршрутизаторе, tbuf = S * tr = 28.18 мс – средний сетевой джиттер,

te2e = tcod + S*tr +tbuf+ tdec = 127.3 мс – задержку пакета “из конца в конец”, Hbuf = tbuf*bw= 445 байт – емкость буфера хоста для компенсации джиттера, V = L*LEN/bw = 11.0 – среднее число соединений в коммутаторе пакетов, N=V/a =110 – число абонентов в коммутаторе пакетов.

При использовании кодека G.711 (tcod=20 мс, tdес=0 мс, bw=95.2 Кбит/с, LEN=238 байт) последовательно находим

D = 120.8 с -1 – интенсивность прохождения очередей в маршрутизаторе,

M = BW/LEN = 806.7 с -1 – интенсивность обслуживания пактов интерфейсом маршрутизатора,

L = M – D = 685.8 с -1 – максимальную интенсивность поступления пакетов, tr = (M – L)-1 = 8.27 мс – среднюю задержку в одном маршрутизаторе,

trmax = tnet/S = 13.0 мс – допустимая задержка прохождения пакета через маршрутизатор,

Qpac = BW*trmax/LEN = 10 – максимальное число пакетов в буфере очереди маршрутизатора,

Rbuf = BW*trmax = 2496 байт – емкость буфера очереди в маршрутизаторе, tbuf = S * tr = 26.16 мс – средний сетевой джиттер,

te2e = tcod + S*tr +tbuf+ tdec = 128.9 мс – задержку пакета “из конца в конец”, Hbuf = tbuf*bw= 311 байт – емкость буфера хоста для компенсации джиттера, V = L*LEN/bw = 13.7 – среднее число соединений в коммутаторе пакетов, N=V/a = 137 – число абонентов в коммутаторе пакетов.

При использовании кодека G.711 (tcod=30 мс, tdес=0 мс, bw=84.8 Кбит/с, LEN=318 байт) последовательно находим

D = 130.9 с -1 – интенсивность прохождения очередей в маршрутизаторе,

248

Глава 4 ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕТЕЙ КОММУТАЦИИ

____________________________________________________________________________________

M = BW/LEN = 603.7 с -1 – интенсивность обслуживания пактов интерфейсом маршрутизатора,

L = M – D = 472.8 с -1 – максимальную интенсивность поступления пакетов, tr = (M – L)-1 = 7.63 мс – среднюю задержку в одном маршрутизаторе,

trmax = tnet/S = 12.0 мс – допустимая задержка прохождения пакета через маршрутизатор,

Qpac = BW*trmax/LEN = 7 – максимальное число пакетов в буфере очереди маршрутизатора,

Rbuf = BW*trmax = 2304 байт – емкость буфера очереди в маршрутизаторе, tbuf = S * tr = 24.15 мс – средний сетевой джиттер,

te2e = tcod + S*tr +tbuf+ tdec = 130.53 мс – задержку пакета “из конца в конец”, Hbuf = tbuf*bw= 256 байт – емкость буфера хоста для компенсации джиттера, V = L*LEN/bw = 13.2 – среднее число соединений в коммутаторе пакетов, N=V/a = 141 – число абонентов в коммутаторе пакетов.

При использовании кодека G.729 (tcod=25 мс, tdес=5 мс, bw=39.2 Кбит/с, LEN=98 байт) последовательно находим

D = 130.9 с -1 – интенсивность прохождения очередей в маршрутизаторе,

M = BW/LEN = 1959.2 с -1 – интенсивность обслуживания пактов интерфейсом маршрутизатора,

L = M – D = 1828.2 с -1 – максимальную интенсивность поступления пакетов, tr = (M – L)-1 = 7.63 мс – среднюю задержку в одном маршрутизаторе,

trmax = tnet/S = 12.0 мс – допустимая задержка прохождения пакета через маршрутизатор,

Qpac = BW*trmax/LEN = 24 – максимальное число пакетов в буфере очереди маршрутизатора,

Rbuf = BW*trmax = 2304 байт – емкость буфера очереди в маршрутизаторе, tbuf = S * tr = 24.15 – средний сетевой джиттер,

te2e = tcod + S*tr +tbuf+ tdec = 130.53 мс – задержку пакета “из конца в конец”, Hbuf = tbuf*bw = 118 байт – емкость буфера хоста для компенсации джиттера, V = L*LEN/bw = 35.9 – среднее число соединений в коммутаторе пакетов, N=V/a = 365 – число абонентов в коммутаторе пакетов.

При использовании кодека G.723 (tcod=37.5 мс, tdес=7.5 мс, bw=26.1 Кбит/с, LEN=98 байт) последовательно находим

D = 149.6 с -1 – интенсивность прохождения очередей в маршрутизаторе,

M = BW/LEN = 1959.2 с -1 – интенсивность обслуживания пактов интерфейсом маршрутизатора,

L = M – D = 1809.5 с -1 – максимальную интенсивность поступления пакетов, tr = (M – L)-1 = 6.68 мс – среднюю задержку в одном маршрутизаторе,

trmax = tnet/S = 10.5 мс – допустимая задержка прохождения пакета через маршрутизатор,

Qpac = BW*trmax/LEN = 21 – максимальное число пакетов в буфере очереди маршрутизатора,

Rbuf = BW*trmax = 2016 байт – емкость буфера очереди в маршрутизаторе, tbuf = S * tr = 21.1 мс – средний сетевой джиттер,

te2e = tcod + S*tr +tbuf+ tdec = 132.9 мс – задержку пакета “из конца в конец”, Hbuf = tbuf*bw= 69 байт – емкость буфера хоста для компенсации джиттера, V = L*LEN/bw = 53.2– среднее число соединений в коммутаторе пакетов, N=V/a = 543 – число абонентов в коммутаторе пакетов.

249

Ю.Ф.Кожанов, Колбанев М.О ИНТЕРФЕЙСЫ И ПРОТОКОЛЫ СЕТЕЙ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ

________________________________________________________________________

Таким образом, сети коммутации пакетов с дифференцированным обслуживанием обеспечивают приемлемое качество обслуживания при большей абонентской емкости по сравнению с системой интегрального обслуживания.

4.8.3. Расчет и использование метрик в структурно-сложных IP-сетях

При вычислении наилучшего маршрута в IP-сети используются суммарная метрика, представляющая собой сумму отдельных метрик последовательного пути “из конца в конец”. Отдельная метрика отображает ценность отрезка пути между сетевыми элементами (маршрутизаторами) и более предпочтительный путь имеет меньшую метрику. Пусть в качестве метрики используется время доставки. Из раздела 4.4.3 известно, что среднее время окончания конца обслуживания пакета однолинейным пучком (одним интерфейсом) вычисляется по формуле te= (μ–λ)-1, где μ = VEL/LEN интенсивность обслуживания пакетов средней длины LEN Кбит интерфейсом со скоростью передачи VEL Кбит/сек при поступлении на него потока пакетов с интенсивностью λ пакетов в секунду. Если принять интенсивность поступающего потока равной нулю, то минимальная задержка будет равна temin = 1/μ = LEN/VEL. Поэтому в качестве удобной оценки задержки сетевого элемента выбрана метрика M = INT(100000/VEL), численно равной задержке (в секундах) обслуживания пакета при отсутствии очереди, увеличенной в 100000 раз. Так, для интерфейса со скоростью VEL=100 Мбит/с и выше М=1, для интерфейса с VEL=2048 Кбит/с М=48, для интерфейса с VEL=64 Кбит/с М=1562 и т.д.

Если смежные маршрутизаторы сети связаны между собой одним интерфейсом, то для последовательно пути следования пакета средние значения задержек суммируются, соответственно суммарная метрика вычисляется как сумма метрик последовательного пути. Так, например, если пункт назначения проходит через S=2 последовательных маршрутизатора со скоростями интерфейсов 32 и 8 Мбит, соответственно, то суммарная метрика вычисляется как

S

 

100000

 

100000

 

 

M = M j

= M1 + M 2

= INT

 

 

+ INT

 

 

= 3 +12 =15 .

32000

8000

j=1

 

 

 

 

 

 

Однако между смежными маршрутизаторами может использоваться несколько параллельных интерфейсов в режиме разделения нагрузки (составной интерфейс). Пусть путь следования пакета до следующего маршрутизатора образован V параллельными интерфейсами (V-линейным пучком), и каждый из этих интерфейсов имеет интенсивность обслуживания μ=VEL/LEN, где VEL – скорость передачи интерфейса, LEN – средняя длина пакета. Воспользовавшись (4.4.2), определим изображение плотности ФРВО начала обслуживания fw(z)

 

 

F (t) =1 P(> 0)e(Vμλ)t ,

 

 

 

w

 

 

f

w

(z) = L[F (t)] =

Vμ λ + z zP(> 0)

,

 

 

w

Vμ λ + z

 

 

 

 

 

а из (4.4.3) – плотность ФРВО обслуживания fs(z)

F (t) =1eμ t ,

f

 

(z) =

μ

.

s

 

s

 

 

μ + z

 

 

 

 

Находим изображение плотности ФРВО конца обслуживания

fe (z) =

fw (z) * fs (z) =

Vμ2

λμ + zν zμP(> 0)

Vμ2

λμ + zμ +Vμz λz + z 2

 

 

и среднее время окончания конца обслуживания пакета V-линейным пучком

TEV = −

dfe (z)

|z=0 =

μP(> 0) +Vμ λ

=

 

1

[P(> 0) +V A].

dz

μ(Vμ λ)

Vμ λ

 

 

 

 

250

Глава 4 ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕТЕЙ КОММУТАЦИИ

____________________________________________________________________________________

Заменим V-линейный пучок однолинейным, в котором скорость интерфейса равна суммарной скорости всех систем передачи V-линейного пучка. Используя результаты раздела 4.4.3, находим среднее время окончания конца обслуживания пакета однолинейным пучком

 

 

TE1 =

1

 

.

 

 

 

Vμ λ

 

 

 

 

 

 

Анализируя разность (TEV – TE1)

 

 

 

 

 

TEV TE1 =

1

[P(> 0) +V A 1]=

 

1

 

[(V A) (1P(> 0))]|(V A)>1

> 0 ,

Vμ λ

Vμ λ

 

 

(1P(>0))<1

становится очевидно, что V-линейный пучок имеет меньшую пропускную способность, чем однолинейный пучок, имеющий скорость интерфейса, равную суммарной скорости всех интерфейсов V-линейного пучка.

Сказанное иллюстрирует рис. 4.24, где среднее время обслуживания 9 пакетов в однолинейном пучке со скорость интерфейса VEL составляет 5 единиц времени (рис. 4.24а), а в 3-линейном пучке со скоростью интерфейса VEL/3 каждый – 6 единиц (рис. 4.24б), хотя время окончания обслуживания всех 9 пакетов в обоих случаях одинаково.

1

2

3

4

5

 

6

7

8

9

t

 

 

 

 

 

а)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

4

7

 

 

 

2

5

8

 

 

 

3

6

9

б)

t t t

Рис. 4.24. Средние времена обслуживания в однолинейном и 3-линейном пучках

Если имеется n параллельных интерфейсов с метрикой Mn каждый, то эквивалентная метрика для одиночного интерфейса M1 вычисляется как

M1 = Mn * 2n *+n1 .

4.9.Оценка надежности сетевых элементов

Под системой технического обслуживания понимается комплекс мер со стороны оператора для поддержания сети связи в работоспособном состоянии. Известны две

системы технического обслуживания (СТО): децентрализованная и централизованная.

При децентрализованной системе технического обслуживания на каждом узле коммутации имеется свой обслуживающий персонал, который занимается обнаружением и устранением неисправностей. Накопление неисправностей не происходит, при возникновении неисправности обслуживающий персонал сразу же приступает к ее устранению. Такая система широко применялась в электромеханических узлах коммутации, в которых неисправности возникали достаточно часто, что не позволяло оставлять оборудование без присмотра на сколь либо длительный срок.

При централизованной системе технического обслуживания только на одном

(главном) узле коммутации организуется центр технического обслуживания (ЦТО), где размещается обслуживающий персонал и несколько ремонтно-восстановительных бригад, а подопечные соседние узлы коммутации не имеют постоянного

251

Ю.Ф.Кожанов, Колбанев М.О ИНТЕРФЕЙСЫ И ПРОТОКОЛЫ СЕТЕЙ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ

________________________________________________________________________

обслуживающего персонала и функционируют в необслуживаемом режиме, без постоянного присутствия обслуживающего персонала. Накопление неисправностей на подопечных необслуживаемых узлах контролируется дистанционно из ЦТО, при достижении критического состояния наблюдаемого необслуживаемого узла на него из ЦТО выезжает одна из ремонтно-восстановительных бригад. Переход к централизованной системе технического обслуживания стал возможным благодаря двум факторам: резко возросшей надежности сетевых элементов и применению хорошо отработанных протоколов дистанционного контроля (например, SNMP).

Надежность системы оценивается коэффициентом готовности, под которым понимается доля времени, в течение которого вызовы обслуживаются с заданным качеством. На коэффициент готовности оборудования решающее влияние оказывают два параметра: среднее время наработки оборудования на отказ Тξ и время его восстановления Тr.

Среднее время наработки на отказ (MTBF – Mean Time Between Failures) равно промежутку времени от начала функционирования в исправном состоянии до момента отказа и зависит от соответствия эксплуатации оборудования техническим условиям и от качества его изготовления. Величина ξ , обратная времени наработки на отказ, называется интенсивностью отказов.

Время восстановления включает в себя три составляющие: время обнаружения неисправности, время прибытия ремонтно-восстановительной бригады и время замены неисправного оборудования. Время обнаружения неисправности зависит от глубины программно-аппаратной проработки системы технического обслуживания (СТО) в части локализации неисправности, время прибытия ремонтно-восстановительной бригады – от децентрализованной или централизованной СТО, время замены имеет практически постоянное значение. Величина r, обратная времени восстановления,

называется

интенсивностью восстановления. Нормируемые МККТТ

параметры

надежности

для абонентского устройства – не более 30 минут простоя в год, а

для

системы коммутации – Tr = 2 часа простоя за 40 лет (Tξ = 350 400 часов),

что

соответствует коэффициенту готовности K = Tξ/(Tξ+Tr) = 0.9999943. Коэффициент неготовности K = (1 – K) определяет потери по времени.

В обеих системах технического обслуживания для повышения надежности может использоваться один из двух способов резервирования.

Функционально-задействованное резервирование (режим разделения нагрузки, load-sharing redundancy) характеризуется тем, что резервное оборудование участвует в обслуживании вызовов вместе с основным оборудованием и обслуживает половину поступающей нагрузки. Основное и резервное оборудование имеют независимые базы данных установленных соединений. Выход из строя основного или резервного оборудования приводит к потере половины установленных соединений. Оставшееся исправное оборудование продолжает обслуживание всей поступающей нагрузки, но с пониженным качеством. Выход из строя основного и резервного оборудования приводит к отказу системы. Этот способ резервирования наиболее характерен для систем с коммутацией пакетов. Для снижения негативных последствий при отказе основного оборудования применяют многократное резервирование, когда всю поступающую нагрузку обслуживают несколько параллельно функционирующих плоскостей.

Функционально-незадействованное резервирование (режим замещения, hot- stand-by redundancy) характеризуется тем, что резервное оборудование постоянно отслеживает и копирует состояние основного оборудования, имея одну и ту же базу данных установленных соединений. Выход из строя основного или резервного оборудования не приводит к понижению качества обслуживания. Выход из строя

252

Глава 4 ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕТЕЙ КОММУТАЦИИ

____________________________________________________________________________________

основного и резервного оборудования приводит к отказу всей системы. Этот способ резервирования применяется тогда, когда потеря ранее установленных соединений приводит к весьма негативным последствиям и применяется, например, для резервирования коммутационных полей в системах с коммутацией каналов. Многократное резервирование основного оборудования, как правило, не применяется из-за сложности и дороговизны.

ЗАДАЧА 1. Программный коммутатор (Soft Switch) без дублирования имеет время наработки на отказ 3 месяца (0,25

года). Применяется система централизованного обслуживания,

время устранения неисправности – 1,5 часа. Определить

коэффициент готовности.

 

 

Решение.

ξ = (0,25 года) -1 = 4 год -1 = 4,56

10 -4 час -1. Интенсивность восстановления – r = (1,5 час) -1

Интенсивность отказов –

= = 0,66 час -1.

K = r /( ξ + r ) = 0 ,9993 .

Коэффициент готовности

ЗАДАЧА 2. Определить коэффициент готовности предыдущего примера при функционально-незадействованном дублировании программного коммутатора.

Решение.

Интенсивность отказов – ξ =(0,25 года) -1 = 4,56 10 -4 час -1. Интенсивность восстановления – r = (1.5 час) -1 = 0,66 час -1. Интенсивность нагрузки неисправностей – B = ξ./r = 6,9 10 -4 Эрл.

Коэффициент неготовности дублированной схемы численно равен вероятности отказа двух элементов (4.3.2)

 

K =

 

E

 

( B )

=

 

 

 

B 2 / 2

 

= 4 , 55

10 7 .

 

 

2

1

+ B + B 2

/ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент готовности

K = 1 – K = 0,9999995.

 

 

 

Среднее время выхода из строя в обслуживаемом режиме

 

 

 

 

T

2

=

 

 

1

 

=

1 + B

 

= 3 180 428 часов = 362 года.

 

 

ξ

E (B)

ξ B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.10. Переходные вероятности состояний в полнодоступном пучке

Стационарный процесс характеризуется неизменностью значений вероятности на фиксированном промежутке времени, независимо от расположения этого промежутка времени на оси времени, поэтому вероятности таких событий не зависят от времени. Подавляющую долю времени сетевые элементы функционируют в стационарном режиме и ранее рассмотренные модели обладают именно таким свойством.

Вместе с тем имеются процессы, вероятность реализации которых есть функция времени. Они получили название переходных процессов. Переходные процессы возникают при резком изменении какого-либо параметра сетевого элемента: параметра потока поступающих вызовов, числа обслуживающих приборов (полосы пропускания), смене основного маршрута следования соединения и т.д. Ниже рассматриваются переходные процессы, которые имеют место в централизованных (не обслуживаемых) системах технического обслуживания.

Переходный процесс рождения хорошо описывает накопление неисправностей на необслуживаемых узлах коммутации, а процесс гибели – их устранение во время посещения необслуживаемого узла ремонтно-восстановительной бригадой.

253

Ю.Ф.Кожанов, Колбанев М.О ИНТЕРФЕЙСЫ И ПРОТОКОЛЫ СЕТЕЙ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ

________________________________________________________________________

Переходный процесс рождения и гибели возникает при первоначальном запуске системы, при изменении входящего потока вызовов, вызванного перераспределением нагрузки на сети, при перегрузках сети и т.д. Для нахождения переходных вероятностей в полнодоступном пучке используются соответствующие дифференциальные уравнения процесса рождения и гибели при условии неравенства нулю производных тех же вероятностей.

4.10.1. Процесс рождения

Диаграмма переходов Марковского процесса рождения, описывающая процесс накопления неисправности на необслуживаемом узле, изображена на рис. 4.25 и описывается следующей системой дифференциальных уравнений

 

 

 

λ0

λ1

λx-1

 

λx

λV-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

1

. . .

 

X

. . .

V

 

 

 

Рис. 4.25. Диаграмма переходов процесса рождения

 

dp0 (t)

 

= −λ0 p0 (t),

x = 0,

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dpx (t)

 

 

= λx1 px1 (t) λx (t),

x =1,...V 1,

 

(4.10.1)

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dpV (t)

= λ p

(t),

x =V.

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

V 1 V 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где px(t) – вероятность того, что в момент времени t занято х линий: х = 0,...V,

dpx (t) – производные от вероятности px(t), dt

λ x – параметр потока отказов в состоянии {х} с х занятыми линиями: х = 0,...V,

λV =0,

V – число элементов в системе.

Система (4.10.1) тривиально получается из системы дифференциальных уравнений рождения и гибели с учетом того, что μx = 0, х = 0,...V.

Система (4.10.1) имеет единственное решение при заданном исходном состоянии пучка. Пусть исходное состояние пучка – {0}, тогда функция распределения Fx(t) находится как вероятность того, что за время t будет занято не менее x линий пучка

(1

e

λ0t ) * ... * (1 e λx 1t ),

 

 

λ

0

... λ

x 1

,

x

= 0,1,2,...V ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.10.2)

Fx (t) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1

e

λt

) * ... * (1 e λt ),

 

 

λ0

= ... = λx1

= λ,

x = 0,1,2,...V ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где * – символ свертки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Находим изображение (4.10.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

x1

 

 

λi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ0

... λx1

,

 

x = 0,1,2,...V ,

 

 

 

z + λi

 

 

z

i=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fx (t) =

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

λ

 

= ... =

λ

 

 

= λ, x = 0,1,2,...V ,

 

 

 

 

 

 

,

0

x

1

 

+

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а затем, его оригинал

254

Глава 4 ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕТЕЙ КОММУТАЦИИ

____________________________________________________________________________________

 

x1

 

x1

 

 

λ

 

 

 

 

 

1

eλit

 

 

 

j

 

 

λ0 ... λx1 ,

x = 0,1,2,...V ,

λ

 

λ

 

 

 

i=0

 

i=0

j

i

 

 

Fx (t) =

 

 

ji

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

(λt)

i

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

eλt ,

 

 

 

λ0

= ... = λx1 = λ,

x = 0,1,2,...V ,

i!

 

 

 

 

 

i=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вероятности достижения пучка состояния {x} за время t равно px(t)=Fx(t) – Fx+1(t), откуда для примитивного потока вызовов (λx=(N–x)α, α – параметр потока неисправностей от одного элемента)

CVx (eα t 1)x eVα t ,

 

x = 0,...V 1,

p x (t) =

eα t )V

,

(4.10.3)

F (t) = (1

x =V ,

V

 

 

 

со средним временем достижения состояния {V}

TV = tdFV (t) =V V1

(1)k CVk 1

1

 

,

2

α

0

k =0

 

(k +1)

 

а для простейшего потока вызовов

 

(λ t)x

e

λ t

,

 

 

x = 0,...V 1,

p x (t) =

x!

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.10.4)

FV (t) =1V1

(λ t)i

 

 

eλt ,

x =V ,

 

 

 

 

 

 

i =0

i!

 

со средним временем достижения состояния {V}

(λt)V

 

 

V

 

TV = tdFV (t) =

eλt dt =

.

(V 1)!

 

0

0

 

λ

Зависимости переходных вероятностей px(t) процесса рождения за наблюдаемое время t приведены в виде графиков на рис. 4.26.

1.0

P0

(t)

(t)

P2 (t)

PV-1 (t)

pV (t)

 

P1

. . .

t

Рис. 4.26. Вероятности процесса рождения

Выражения (4.10.3) и (4.10.4) могут быть использованы и для случая, когда процесс рождения начинается с произвольного состояния k, k=0,...V. В этом случае

следует заменить pk (t) на po(t), pk+1 (t) на p1(t) и т.д. Стационарное состояние пучка процесса рождения – {V}.

ЗАДАЧА 1. В сети имеется дублированный необслуживаемый программный коммутатор в режиме с функциональнонезадействованным резервированием. Среднее время безотказной работы одного коммутатора – 3 месяца (0,25 года). Считая поток неисправности примитивным, определить вероятность а) безотказной работы; б) перехода на резерв; в) выхода из строя в необслуживаемом режиме в течение 1 месяца, 3 месяцев; полгода; 1 год.

Решение.

Параметр потока неисправностей (отказов) – ξ = (0,25 года) -1 = 4 год -1 .

255

Ю.Ф.Кожанов, Колбанев М.О ИНТЕРФЕЙСЫ И ПРОТОКОЛЫ СЕТЕЙ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ

________________________________________________________________________

 

Согласно

(4.10.3)

вероятность

безотказной работы

p 0 ( t ) = e 2 ξ t ,

вероятность

перехода

на

резерв –

p 1 ( t ) =

2 ( e ξ

t

e 2 ξ

t ),

 

вероятность выхода из строя – p 2 (t )

= (1 e ξ

t ) 2 , среднее время выхода из строя –

T 2 = 2 1

( 1 ) k C Vk

1

 

1

 

 

 

= 1 ,5ξ

1 . Подставляя значения t = 0,08 года;

0,25 года;

0,5

года; 1

год,

получим

( k

+ 1 )

2

ξ

 

 

 

 

 

 

 

 

k = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вероятности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вероятности:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Время работы

 

 

 

 

 

 

 

 

Безотказной работы

 

 

 

 

 

0,08 года

 

0,25 года

 

0,5 года

 

1 год

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,5273

 

0,1353

 

0,0183

 

0,0003

 

 

 

 

Перехода на резерв

 

 

 

 

 

0,3977

 

0,4650

 

0,2340

 

0,0359

 

 

 

 

Выхода из строя

 

 

 

 

 

 

0,0749

 

0,3996

 

0,7476

 

0,9637

 

 

 

 

Среднее время выхода из строя в

необслуживаемом режиме – T 2 = 3/8 года = 4,5 месяца. В обслуживаемом

 

 

 

режиме – 362 года (см. задачу 2 предыдущего раздела).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.10.2. Процесс рождения и гибели

Диаграмма переходов Марковского процесса рождения и гибели изображена на рис. 4.12 и описывается следующей системой дифференциальных уравнений

dp0 (t)

 

 

= −λ

0

p

0

(t) + μ

1

p (t),

x = 0,

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dpx (t)

 

 

= λx1 px1 (t) (λx

+ μx ) px (t) + μx+1 px+1 ,

x =1,...V 1, (4.10.5)

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dpV (t)

= λ

 

p

 

(t) μ

p (t),

x =V.

 

 

 

dt

 

 

V

1

 

V 1

 

 

 

V

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где μ x – параметр потока освобождения в состоянии {х} с х занятыми линиями: х =

0,...V, μo = 0.

Система (4.10.5) имеет единственное решение при заданной матрице исходного

состояния пучка Iv = | ix|,

х = 0,...V.

 

 

 

Общее решение (4.10.5) представляется в виде суммы частных решений

 

 

 

V

 

 

px (t) = C(0, x)eγ 0t + C(1, x)eγ1t

+... + C(V , x)eγV t

= C(k, x)eγ k t ,

x = 0,...V ,

 

 

 

k =0

 

 

где γk k-ый корень

характеристического уравнения,

C(k,x)

– постоянный

коэффициент, соответствующий k

и x.

 

 

 

Воспользуемся тем, что в (4.10.5) C(k,x) не зависят от t и найдем значения px (t) и

dpx (t)/dt в момент времени t=0

 

 

 

 

V

dpx (t)

V

 

 

 

px (t) = C(k, x),

= γkC(k, x),

x = 0,...V .

 

dt

 

k =0

|t =0 k =0

 

 

 

Любое частное решение должно удовлетворять (4.10.5). Подставим в (4.10.5) одно

из них. Получим следующую систему линейных уравнений

 

 

(λ0 +γk )C(k,0) + μ1C(k,1) = 0,

 

k = 0,1,...V ,

x = 0,

λx1C(k, x 1) (λx + μx +γk )C(k, x) + μx+1C(k, x +1) = 0,

k = 0,1,...V ,

x =1...V 1, (4.10.6)

λV 1C(k,V 1) + (μV +γk )C(k,V ) = 0,

 

k = 0,1,...V ,

x = 0.

Суммируя в (4.10.6) порознь правые и левые части системы приходим к

основополагающему равенству для нахождения корней

 

 

V

 

 

 

 

 

γkC(k, x) = 0,

k = 0,...V .

(4.10.7)

 

x=0

256

Соседние файлы в папке КИС_Лекции