курсовой проект

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский Государственный Университет

телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»

О.А. Симонина

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

«РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОГО КАНАЛЬНОГО РЕСУРСА

ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОГО КАЧЕСТВА УСЛУГ

В МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ»

Санкт-Петербург – 2014

Введение

Современные сети связи являются мультисервисными, то есть позволяют предоставлять различные виды услуг и поддерживать различные виды трафика. Основных типов трафика на сегодняшнем уровне развития инфокоммуникаций три: реального времени, потоковый и передачи данных (или эластичный). Возможность поддержки сетью таких видов трафика получила название Triple Play.

Сервисы реального времени можно разделить на два типа: трафик транзакций и трафик, соответствующий мультимедийным услугам – телефонии и видеоконференцсвязи. Трафик транзакций представляет собой сигналы управления различными объектами и процессами, в том числе игры on-line. Такой тип трафика предъявляет высокие требования к задержке, т.е. относится к сверхчувствительному к задержкам типу, характеризуется высокой чувствительностью к потерям и переменной битовой скоростью (т.е. отличается высокой степенью непредсказуемости). Трафик реального времени, порожденный такими процессами как речь или видео, отличается большей устойчивостью к потерям (т.е. относится к малочувствительным к задержкам типам приложений), является изохронным (т.е. имеет порог чувствительности к задержкам, при превышении которого функциональность приложения резко снижается), характеризуется высокой степенью предсказуемости порождаемого трафика.

Потоковый трафик является следствием работы сервисов Интернет-вещания, аудио и видео по требованию. Этот тип трафика малочувствителен к потерям, малочувствителен к задержкам и джиттеру задержки.

Трафик передачи данных отличается низкой чувствительностью к задержкам (до нескольких минут в зависимости от приложения) и не допускает потерь в сквозном соединении, обычно генерируется традиционными сервисами веб и электронной почты.

Отметим, что IP-сети асинхронны, и это определяет пачечный характер трафика. Для описания структуры IP-трафика используют математический аппарат самоподобных процессов, позволяющий адекватно оценить вероятность ухудшения показателей качества обслуживания. Причинами пачечности является и способ генерации трафика: для TCP соединений характерны ассиметричные запросы/ответы, а для мультмедийного трафика – неравномерная компрессия аудио и видео.

При этом одним из важнейших параметров качества обслуживания является канальный ресурс. В [1] приведен ряд моделей, позволяющих по известной величине канального ресурса рассчитать вероятные значения потерь и задержек. Но на практике обычно решается задача определения необходимого канального ресурса при заданном спектре услуг и требований к ним с точки зрения качества. Например, такая задача решается и при работе популярных услуг ОТТ (Over the Top). Такие услуги предоставляются по сети общего пользования и при этом не контролируются операторами связи. Это интернет-мессенджеры, операторы IP-телефонии и т.п. Их трафик обычно мультимедийный, реального времени, довольно большого объема, коррелированный во времени. Также это торренты, интернет-телевидение, интернет-радио, медиа-библиотеки и т.п. Трафик этого типа имеет сильные временные зависимости, большой объем, часто бывает вещательного характера (например, online-трансляции) или передается как peer-to-peer. Для выбора подходящего кодека проводится анализ доступного канального ресурса и услуга предоставляется исходя из возможностей сети на уровне доступа.

В курсовом проекте предлагается оценить необходимый канальный ресурс для набора сервисов при условии высокого качества предоставляемых услуг. Для решения этой задачи используются элементы теории телетрафика. Конечно, можно решить задачу в представлении интегрированного обслуживания (IntServ), зарезервировав максимальную пропускную способность для каждого сервиса, но в этом случае потребуется мощный и дорогостоящий канал. Такой канал будет простаивать большую часть времени, поэтому вряд ли сможет окупиться. Особенно экономический вопрос важен для небольших провайдеров, стремящихся подключить как можно больше пользователей при относительно небольшой пропускной способности сети. Однако, используя теорию телетрафика и подход дифференцированного обслуживания (DiffServ), можно существенно улучшить экономические показатели при незначительном ухудшении качества.

Цель курсового проекта: определить необходимый канальный ресурс для организации мультисервисной сети связи для корпоративной сети или сети оператора уровня города (в соответствии с заданием).

Задание на курсовой проект

Рассчитать необходимую пропускную способность сети связи для предоставления мультимедийных услуг Triple Play. Принять, что глубина рассчитываемой сети два уровня: доступ и ядро.

Разработать рекомендации по выбору оборудования и использованию механизмов Traffic Engineering.

Подтвердить полученный результат путем моделирования (рекомендуется выбрать пакеты моделирования Opnet или jns3).

Таблица 1 – Варианты заданий

Номер последней цифры студенческого билета	Количество пользователей сети	Количество пользователей по видам услуг и тип кодека/требуемая производительность
		IP-телефония	Тип кодека VoIP	Видеоконферецcвязь	Тип видеокодека	Потоковое видео	Требуемая пропуск-ная способность, кбит/с	Передача данных	Требуемая пропуск-ная способность, Мбит/с
1	100	100	G.711	10	MPEG-4 (LQ)	20	500	100	1
2	200	100	G.729	10	H.263 (LQ)	50	600	200	2
3	300	50	G.723a	4	MPEG-4 (HQ)	60	700	300	3
4	400	70	G.711	4	H.263 (LQ)	70	800	400	4
5	500	80	G.729	8	H.263 (HQ)	50	500	500	1
6	100	100	G.723a	8	H.263 (HQ)	40	600	100	2
7	200	50	G.711	5	MPEG-4 (LQ)	70	700	200	3
8	300	20	G.729	5	H.263 (HQ)	90	800	300	4
9	400	70	G.723a	7	H.263 (LQ)	50	500	400	1
0	500	50	G.729	7	MPEG-4 (HQ)	20	800	500	2

Если предпоследняя цифра студенческого билета четная или 0, то решение разрабатывается для корпоративной сети, если нечетная – для сети провайдера уровня района города. В корпоративной сети принять как третью услугу видеоконференцсвязь, в сети оператора уровня района города – потоковое видео.

Методические указания по выполнению проекта

Рассмотрим для примера расчет производительности корпоративной сети. Пусть в некоторой небольшой компании работает 100 человек. Необходимо рассчитать достаточный канальный ресурс, если все сотрудники используют IP-телефонию с кодеком G.729, просмотр веб-страниц и передачу файлов со средней скоростью потока 1 Мбит/с. Также 3 сотрудника из состава руководства используют видеоконференцсвязь, при этом скорость потока в одном направлении 320 кбит/с.

Если решать поставленную задачу с гарантированным сервисом, то необходимый ресурс:

• для предоставления IP-телефонии:

8 × 2 = 16 (кбит/с) – необходимый ресурс для организации двунаправленного соединения. В случае, если все сотрудники разговаривают между собой одновременно внутри сети, получаем 16 × 50 = 800 (кбит/с). Для организации оповещения сотрудников необходимо 8 × 100 = 800 (кбит/с).

• для предоставления видеоконференцсвязи:

в случае проведения видеоконференцсвязи между руководителями необходимый ресурс 320 × 2 × 3 = 1920 (кбит/с)

• для предоставления передачи данных:

100 × 1 = 100 (Мбит/с)

• всего для реализации внутри сети: 100×1024 + 1920 + 800 = 105120 кбит/с или приблизительно 1, 06 Гбит/с.

Проведем анализ полученного результата. Во-первых, требуемая пропускная способность корпоративной сети чуть больше 1 Гбит/с, что превышает значения производительности популярного стандарта Ethernet. Во-вторых, расчет показывает ресурс, необходимый на прикладном уровне, в то время как служебная информация и протокольная избыточность увеличивают требования к канальному уровню минимум на треть. Таким образом, если обеспечивать жесткое резервирование ресурсов, то необходимая пропускная способность такой сети должна быть около 1,5 Гбит/с. Это неудобно, так как требует разработки оригинальных топологических решений и установки дополнительного оборудования.

Попробуем решить задачу с использованием теории телетрафика. Известно, что каждый из видов трафика Triple Play может быть описан моделью Кендалла:

• IP-телефония – M/M/v/k

• Видео – LN/M/v/k/n

• Передача данных – P/P/v/k

Приняты следующие обозначения законов распределения поступления и обработки заявок: М – Пуассон, LN – логнормальный, Р – Парето.

Учитывая, что все потоки трафика передаются по одной сети, примем количество обслуживающих приборов v равное количеству портов коммутационного оборудования и зависящее от топологического решения сети. Длина очереди k пусть равна v.

Таким образом, для рассматриваемого примера:

v = 100; k = v = 100

Количество источников нагрузки n равно количеству пользователей каждого вида сервисов: n = n_телеф + n_видео + n_пд = 203

Уровень потерь для мультимедийного трафика реального времени в случае предоставления хорошего качества услуг не должно превышать 1%, для трафика передачи данных 2%, для удовлетворительного соответственно 2% и 3%. Задержки не будем принимать во внимание, считая, что превышение задержки для мультимедийного трафика приведет к потере, а трафик передачи данных не чувствителен к задержкам.

В своих расчетах будем стремиться предоставить пользователям услуги хорошего качества.

Для расчета каждого из видов сервисов можно воспользоваться следующими выражениями:

- вероятность потерь в узле:

- вероятность потерь в сквозном соединении:

P_e2e = 1 – (1 – P_loss )(1 – P_ter),

где С_а – квадратичный коэффициент вариации поступления заявок, С_s – квадратичный коэффициент вариации обслуживания заявок,  - загрузка системы (максимально необходимый канальный ресурс согласно IntServ, полученный ранее), P_ter – потери из-за превышения задержки в сети, примите по умолчанию 0.

Требуемые значения коэффициента вариации С_а и С_s для различных законов приведены в Приложении. Обратите внимание, что необходимо провести нормировку: загрузка системы – это производительность сети, принятая за 1, следовательно, для расчета необходимого ресурса: _i × С_i, где С_i – канальный ресурс i-того сервиса.

В рассматриваемом примере три вида трафика: IP-телефония и видеоконференцсвязь относятся к сервисам реального времени и должны обеспечивать потери в сквозном соединении не более 1% потерь, а передача данных 2%. Учтем, что сеть имеет глубину два уровня и потери в сквозном соединении P_e2e = 0,01 = 1 – (1 – P_loss1 )(1 – P_loss1). Примем, что P_loss1 = P_loss2, следовательно, потери на узле не должны превышать 0,5%.

Тогда получим выражение для расчета ресурса, необходимого для предоставления IP-телефонии:

,

откуда получим значение нагрузки _телеф для данного сервиса. Рассуждая аналогично, получим значения нагрузки _видео для видеоконференцсвязи и _пд для передачи данных.

Рассчитаем необходимый канальный ресурс:

(_i × С_i)  _телеф ×800 + _видео × 1920 + _пд × 102400.

На практике необходимо не только уметь рассчитать необходимый ресурс, но и соотнести его с возможностями оборудования. Для этого проводится анализ рынка телекоммуникационного оборудования и выбирается модель в соответствии с заданными параметрами. В рассматриваемом примере технология Ethernet 1G, компания должна поддерживать три вида услуг, значит, необходимы управляющие коммутаторы с поддержкой QoS. Сеть таких небольших компаний реализуется на витой паре, следовательно, оборудование должно иметь поддержку электрических портов. Если рассчитываемая сеть оператора уровня района города, то возможна реализация на ВОЛС, и выбранное оборудование должно поддерживать оптические порты. Общее количество портов должно превышать заявленное количество пользователей: при монтаже кабельной системы сети связи организуются соединения не только между оконечным оборудованием пользователя и коммутаторами, но и между коммутаторами (топология дерево) и коммутаторами и ядром сети.

В курсовом проекте необходимо представить по крайней мере три варианта подходящего оборудования. Технические характеристики предлагаемого оборудования вынести в Приложение.

При разработке рекомендаций по использованию механизмов Traffic Engineering учитывается приоритезация мультимедийного трафика: для IP-телефонии и видеоконференцсвязи выставляется более высокий приоритет (например, 5) перед трафиком передачи данных (по умолчанию 3). Для того, чтобы оборудование могло адекватно обрабатывать высокоприоритетные потоки, настраиваются механизмы обслуживания очередей. В курсовом проекте нужно выбрать (приоритетные очереди или WFQ) и аргументировать выбор. Корпоративные сети и сети уровня района города склонны к явлению глобальной синхронизации, поэтому необходимо предусмотреть механизмы профилирования трафика. В зависимости от типа оборудования можно использовать алгоритм дырявого ведра или алгоритм RED. В курсовом проекте поясните, какой из механизмов профилирования выбран, аргументируйте этот выбор, докажите, что он поддерживается рекомендуемым оборудованием.

Литература

1. Основы телетрафика мультисервисных сетей/ Степанов С.Н.. - М.: Эко-Трендз, 2010-392 с.

2. Качество обслуживания в сетях связи : научное издание / Ю. Ф. Кожанов ; рец.: Н. А. Соколов, Ю. В. Юркин ; Федеральное агентство связи, Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича". - СПб. : СПбГУТ, 2014. - 160 с.

Приложение

1. Основные кодеки IP-телефонии и их показатели качества

Кодек:	G.711	G.723.1 m	G.723.1 a	G.729
Скорость передачи, кбит/с	64	6,3	5,3	8
Длительность кадра, мс	5	30	30	10
Задержка пакетизации, мс	1	67,5	67,5	25
Полоса пропускания для двунаправленного соединения, кГц	174,4	43,73	41,6	62,4
Задержка джиттер-буфера, мс	2-4	60	60	20
Значение R-фактора	93,2	78,2	74,2	82,2
Теоретическая максимальная оценка MOS	4,4	3,87	3,69	4,07

2. Некоторые видеокодеки и их показатели качества

Кодек:	MPEG-4 (HQ)	MPEG- 4 (LQ)	H.263 (HQ)	H.263 (MQ)	H.263 (LQ)
Пиковая скорость передачи, кбит/с	2000	1000	1400	320	84
Средняя скорость передачи, кбит/с	400	90	256	64	16
Эффективная скорость передачи, кбит/с	2000	291	1005	107	20

3. Значения коэффициента вариации для различных законов распределения

Закон распределения	Пуассона (М)	Логнормальный (LN)	Парето (Р)
С2	1	2,7	2

8