2014-09 Инфокоммуникационные системы и сети / сети-учебники / коммутации блакировки
.pdfУДК 621. 372
СПОСОБ ГИБРИДНОЙ КОММУТАЦИИ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ БЛОКИРОВОК СЕТЕЙ СВЯЗИ
Г. И. Линец
Изложен способ гибридной коммутации цифровых каналов связи. Решение об использовании метода коммутации (каналов или пакетов) принимается после анализа длины сообщения и занятости буферной памяти узла коммутации, что позволяет повысить эффективность использования каналов связи при фиксированном уровне отказов в обслуживании.
In this article in account is given on the method of hybrid switchboard digital channels connection. The decision about the usage of the method of commutation (channels or packets) is taken after the analysis of the message length and occupation of buffer,s memory of commutation,s knot which allows increase the effectiveness of usage of channels connection with fixed level of failure in service.
Разработка механизмов управления ресурсами и защиты от перегрузок в сетях связи представляет собой сложную и многоплановую задачу. Опыт создания и эксплуатации сетей связи различного назначения показал, что система динамического управления потоками является обязательным условием системы управления сетью. Основной целью системы управления потоками является предотвращение и устранение перегрузок, разрешение тупиковых ситуаций, возникающих в результате перегрузок сети. Причинами перегрузок могут быть: резкое увеличение входного трафика; блокировка терминалов на приемной стороне; ограниченные объемы памяти коммутационного оборудования; недостаточные значения производительности коммутационного оборудования и пропускной способности трактов связи; выход из строя по различным причинам линейного и станционного оборудования.
Одним из способов защиты от перегрузок сети является применение гибридной коммутации. Анализ способов гибридной коммутации выявил следующие недостатки. Способ гибридной коммутации, позволяющий коммутировать каналы в режиме синхронной цепи и в режиме синхронного и асинхронного пакета, использует режим разделения времени между
Вестник СевКавГТУ Серия «Физико-химическая», №1 (8), 2004
© Северо-Кавказский государственный технический университет, http://www.ncstu.ru
абонентами, временной интервал доступа присваивается различным абонентам в режиме коммутации пакета, что ограничивает требуемую оперативную память центров коммутации. Данный способ не обеспечивает эффективного использования каналов связи, так как при подобном управлении неизбежно возникают паузы между моментом отправки сообщения и моментом выдачи отправителем очередного сообщения.
Известен способ адаптивной коммутации, обеспечивающий организацию на сети соединений в режиме коммутации каналов с одновременной передачей сообщений в режиме коммутации пакетов. При этом осуществляется динамическое перераспределение пропускной способности трактов сети между потоками сообщений, передаваемых в режимах коммутации каналов и пакетов [1]. Недостаток данного способа коммутации состоит в том, что сообщения разбиваются на блоки и записываются в общее поле памяти независимо от способа коммутации. Выбор того или иного способа коммутации осуществляется в режиме с отказами при отсутствии свободных ячеек памяти. Различные блоки одного и того же сообщения могут передаваться с использованием различных способов коммутации, что приводит к нарушению масштаба времени всего сообщения. В способе гибридной коммутации, основанном на интеграции коммутационного оборудования [2], необходимого для реализации каждого метода коммутации (каналов и пакетов), переход от одного режима коммутации к другому происходит без учета текущего состояния сети. Это может привести либо к ее блокировкам, либо к неоправданным отказам в обслуживании, либо к неэффективному использованию ресурсов сети при передаче длинных сообщений. Кроме того, передача длинных сообщений в режиме коммутации пакетов неизбежно приводит к нарушению реального масштаба времени.
С целью устранения отмеченных выше недостатков, в [3] разработан способ, свободный от этих недостатков. Поставленная цель достигается тем, что в результате диалога между вызывающим абонентом и центром
Вестник СевКавГТУ Серия «Физико-химическая», №1 (8), 2004
© Северо-Кавказский государственный технический университет, http://www.ncstu.ru
коммутации, выясняется длина сообщения (L) |
и происходит ее сравнение с |
|
пороговым значением Lï = k Lêð + b , где Lкр |
– заранее |
установленная для |
каждой конкретной сети критическая длина сообщения; |
k – коэффициент |
|
пропорциональности, учитывающий степень занятости объема буферной памяти; b – величина, отражающая динамику изменения трафика. Если длина сообщения превышает пороговое значение L > Lï , то независимо от состояния буферной памяти и величины трафика принимается решение об установлении физического соединения и передаче сообщения в режиме коммутации каналов. Если сообщение запоминается, разбивается на
пакеты, и передача сообщения осуществляется в режиме коммутации пакетов.
Пороговое значение длины сообщения рассчитывается по формуле:
|
|
|
|
m3 |
( t ) |
|
|
∂ m3 |
( t ) |
||
Lï |
= Lêð |
1 |
− |
|
|
|
+ β |
|
|
|
, |
|
|
∂ |
|
||||||||
|
|
|
|
m |
|
|
t |
||||
где m – общий объем памяти; m3 ( t ) |
– текущее значение занятого объема |
|||||
памяти; |
∂ m3 |
( t ) |
– производная по времени от занятого объема памяти; β – |
|||
∂ |
t |
|
||||
|
|
|
||||
коэффициент пропорциональности [3]. |
|
|||||
Исследования, проведенные в |
[3] показали, что при длинных |
|||||
сообщениях и увеличивающемся трафике будет преобладать метод коммутации каналов и, наоборот, если будут поступать короткие сообщения при сильно пульсирующем трафике, передачу сообщений целесообразно осуществлять с использованием метода коммутации пакетов. Использование того или иного режима определяется выбором величины Lêð . Хранение длинных сообщений возлагается на вызывающего абонента, причем время хранения не должно превышать некоторой величины τ в соответствии с рекомендациями Q.543 сектора JTU-T. Если число занятых буферов (m3 ) и
величина b могут контролироваться в пределах данного коммутационного узла или во всей сети в зависимости от используемого метода
Вестник СевКавГТУ Серия «Физико-химическая», №1 (8), 2004
© Северо-Кавказский государственный технический университет, http://www.ncstu.ru
маршрутизации, то критическая длина сообщения Lêð является проектным параметром и устанавливается на стадии проектирования сети.
Общее число пакетов фиксированной длины Lïàê , которые могут быть сформированы из сообщения длиной L , определяется соотношением
N = L ≤ m, (1)
Lï àê
то есть не должно превышать объема буферной памяти m, так как в противном случае сообщение получит отказ или должно разбиваться на пакеты. Таким образом, критическую длину сообщения можно определить из соотношения
Lêð = Lï àê m. (2)
Для одноканальной сети как системы массового обслуживания с ожиданием, вероятность получения сообщением отказа в обслуживании равна:
P |
|
= |
|
ð m+1( 1 − p ) |
≤ |
Pò ðå á , (3) |
|
|||||||
|
|
1 − pm+2 |
|
|||||||||||
î ò ê |
|
|
|
|
î ò ê |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где p = λ / µ – коэффициент загрузки сети; |
λ |
– интенсивность поступления |
||||||||||||
сообщений; – интенсивность обслуживания; |
Pîòò ðåê |
á – требуемое значение |
||||||||||||
вероятности отказа в обслуживании [4]. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
Решая уравнение (3) относительно m для предельного значения Pîòò ðåê |
á , |
|||||||||||||
получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m = |
1 |
|
ln |
|
Pò ðåá |
|
. (4) |
|
||||||
|
|
î ò ê |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
ln p |
|
[ 1 − p ( 1 − Pò ðåá |
)] |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
î ò ê |
|
|
|
|
Подставив (4) в (2), определяем: |
|
|
|
|
|
|
||||||||
L = |
L |
|
|
|
ln |
|
Pò ðåá |
|
|
. (5) |
|
|||
ï àê |
|
î ò ê |
|
|
|
|||||||||
|
|
[ 1 − p ( 1 − Pò ðåá |
|
|
||||||||||
êð |
|
ln p |
|
)] |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
î ò ê |
|
|
|
|
Условие выбора критической длины сообщения Lêð в (5) не учитывает структуру сети и такие ее показатели, как время задержки сообщения, общий трафик, стоимость сети, являющиеся исходными данными при проектировании сети.
Вестник СевКавГТУ Серия «Физико-химическая», №1 (8), 2004
© Северо-Кавказский государственный технический университет, http://www.ncstu.ru
В [5] |
исследован выбор Lêð , с учетом перечисленных выше |
показателей, |
и получены кривые зависимостей Tñðmin = f ( pî ï ò ) и Pî ò ê = ϕ ( pî ï ò ) . |
Минимальное среднее время задержки сообщения определяется из соотношения
|
1 |
|
C |
çàä |
|
S / |
|
|
Tñðmin = |
|
|
|
|
m |
|
, (6) |
|
γ |
|
|
|
|||||
|
|
k |
|
Sm î ï ò |
||||
где γ – общий трафик сети; Сзад – стоимость передачи единицы количества информации; k – коэффициент пропорциональности;
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
S |
/ |
|
= |
∑( k + 1 ) pîkï ò |
|
|
|
|
|
m |
k =0 |
|
, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
m+1 |
||||
|
|
|
Sm î ï ò |
|
|
∑ pîkï ò |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k =0 |
|
k |
= |
Ñ çàä |
– оптимальное значение коэффициента загрузки сети; n – общее |
|||||||
pî ï ò |
|
|||||||||
k n |
||||||||||
число узлов сети.
Данный подход позволяет получить не только качественные, но и количественные характеристики исследуемого процесса. Так, для сети,
содержащей |
n = 40 |
коммутационных |
узлов, |
при |
трафике |
равном |
γ = 36 ï àê / ñå ê , требуемая вероятность |
отказа Ð îòòðåáê = 0,01 |
достигается при: |
||||
количестве |
буферов |
m = 20 ; коэффициенте |
загрузки сети |
p = 0,9 ; |
||
минимальной средней задержке сообщений Tñðmin =7 |
ñå ê ; критической длине |
|||||
сообщения Lêð = 20489 бит; длине пакета = 1024 áèò .
Таким образом, разработанный способ гибридной коммутации цифровых каналов, использующий уведомление центра коммутации о длине подлежащего передаче сообщения в фазе установления соединения, позволяет предотвратить перегрузки в сети, повысить эффективность использования каналов связи за счет передачи длинных сообщений в реальном масштабе времени и уменьшить общее число сообщений, получающих отказ в обслуживании.
Вестник СевКавГТУ Серия «Физико-химическая», №1 (8), 2004
© Северо-Кавказский государственный технический университет, http://www.ncstu.ru
Литература
1.Самойленко С. И. Метод адаптивной коммутации // Электросвязь. 1981. № 6. С. 30 – 33.
2.Jenny Christian, Kummerle Karl, Burge Helmut. Network node with integral circuit // Packet switching capabilities. – «Communes. Networks Eur. Comput. Conf., London, 1975». Oxbridge, 1975. P. 207 – 228.
3.Линец Г. И., Фомин Л.А. Способ гибридной коммутации цифровых каналов связи.
Патент на изобретение № 2195080 от 20.12.02. – М.: ФИПС, 2002. – 12 с.
4.Вентцель Е. С. Исследование операций. – М.: Наука, 1989. – 552 с.
5.Линец Г. И., Фомин Л. А. Синтез сети передачи данных при ограниченных сетевых ресурсах // Сб. науч. тр.: Системы обработки информации. – Харьков: НАНУ,
ПАНИ, ХВУ, 2000. – Вып. 1(7). – С. 65 – 71.
Вестник СевКавГТУ Серия «Физико-химическая», №1 (8), 2004
© Северо-Кавказский государственный технический университет, http://www.ncstu.ru