Исследование и анализ эффективности мультисервисных сетей связи при использовании архитектурной концепции NGN

Исследование и анализ эффективности мультисервисных сетей связи при использовании архитектурной концепции NGN

Изучены качества работы подсистемы IMS (Internet Protocol Multimedia Subsystem) в звеньях мультисервисных сетей связи, использующих архитектурные концепции NGN (Next Generation Networks, NGN) и предложен новый подход, основанный на упрощениях в описании модели функционирования SIP-серверов (Session Initiation Protocol, SIP) и технологии Sigtran (Signaling Transport) при передаче сигнального трафика по IP-сетям. Рассмотрена сетевая архитектура IMS, определяющая взаимодействие инфраструктуры системы и протоколов сигнализации, с помощью которой предложена структурная схема взаимодействия функциональных элементов семейство протоколов SIP и Sigtran типа сигнальные шлюзы (SG), медиашлюзы (MG), а также контроллеры медиа-шлюзов (MGC). Исследованы задачи перегрузок SIP-серверов в звеньях мультисервисных сетей связи следующего поколения при оказании мультимедийных услуг. В результате исследования характеристик сетей NGN созданы математические модели SIP-серверов в виде однолинейной системы массового обслуживания (СМО) типа M/G/1/N6^ С целью предотвращения перегрузок в звеньях сигнализации мультисервисных сетей связи следующего поколения, моделируемых с помощью систем обслуживания сигнального и полезного трафика, используется гистерезисное управление нагрузкой. На основе исследовании установлено, что СМО с ожиданием и поведением модели SIP-серверов Ключевые слова: SIP-серверы эффективнее описываются ^ркок»^ процесса* с пом°щыо которого определены уелгоия процесса служебный трафик, сеть NGN, системы рашмнии»« и ггёети В резупиате исследования тонучеяы аналитические мрежмия

и протоколы сИгНалИЗаиИ1И, МулЬТИсерВИсНой позволяющие оценить эффективность взаимодействия систем и протоколов сигнализации сетей сети связи. NGN в мультисервисных сетях связи при установлении соединений.

Ибрагимов Б.Г.,

профессор Азербайджанского технического университета, i.bayram@mail.ru

Исмайлова С.Р.,

диссертант Института Кибернетики НАНА Введение

На современном этапе развитие сетей NGN и конвергенции мультисервисных сетей связи требует эффективного использования протокола и систем сигнализации, обеспечивающих качество работы систем управления телекоммуникации при оказании мультимедийных услуг.

Системно-технический анализ показал [1, 2], что эффективность функционирования мультисервисных сетей связи с использованием систем и протоколов сигнализации зависят от метода построения узлов коммутации (УК) Softswitch/IMS и взаимодействия их функциональных элементов - семейство протоколов H.323, SIP и Sigtran типа сигнальные шлюзы (SG), медиашлюзы (MG), а также контроллеры медиа-шлюзов (MGC) сетей NGN. В основном, в качестве протокола и систем сигнализации для сетей NGN используется ОКС-7, SIGTRAN и SIP при установлении соединений, которые должны обеспечивать необходимый уровень качества обслуживания [2, 3, 4].

В настоящее время коммутация пакетов представляет собой эффективный способ совместной передачи служебных трафиков по одному сигнальному каналу. Здесь, для взаимо-

действия трафика протокола Sigtran и ОКС-7 предложены различные алгоритмы восстановления на основе временных меток [3]. Так как в сетях NGN пакеты служебных трафиков ОКС-7 обычно передаются синхронно с помощью сигнальных шлюзов (SG) на границе IP-сети, что на приеме позволяет восстанавливать пакеты с достаточно хорошим качеством с использованием технологии Sigtran.

В работе [2-5] определены, что сети NGN основаны на пакетных технологиях передачи полезного и служебного трафиков, и обеспечивают функциональные возможности "Triple Play service" ( ITU-T, рекомендации серии Y.2000).

Учитывая важность развития "Triple Play service" медиа-шлюзами и систем управления телекоммуникациями, рассматривается эффективность мультисервисных сетей связи с использованием архитектурной концепции NGN при установлении соединений.

Схема функционирования исследуемой модели звена

мультисервисной сети и описание системы

С целью эффективного взаимодействия сигнальных протоколов ОКС-7, Sigtran и SIP для случаев прямого и обратного направлений установления соединения, предлагаются модели мультиплексирования служебных трафиков в мульти-сервисных сетях связи следующего поколения, использующих функциональные УК Softswitch/IMS.

На рис. 1 изображена структурная схема функционирования модели, используемая для описания процесса мультиплексирования служебного трафика в узлах Softswitch/IMS.

Последнее характеризует схему функционирования протоколов ОКС-7, Sigtran и SIP, используемую для описания процесса мультиплексирования пакетов при совместной передаче служебных трафиков. Здесь важным функциональным блоком является система управления сигнального мультиплексора (СМ) с функциями управления медиа-шлюза в узле Softswitch/IMS.Из схемы видно, что от различных источников в СМ поступает служебный трафик протокола ОКС-7, Sigtran и SIP, порождаемый услуги вторичной сети телекоммуникации (сети ISDN, сети NGN и сети iP), Далее эти потоки пакетов со скоростью Яокс, Х51р и AJlg поступают на буферный накопитель (БН) узлов Softswitch/IMS, соответственно.

Хщ

Слгншные ошсиы

SCTP УК Softswitcb.TMS

h г СУ обслуживания

-^ сигнального

пакета

EJTij» Ai]

a

пей SCTPflPMP LS

Рис, 1, Структурная схема функционирования модели, для описания процесса обслуживания служебного трафика

В данной системе N источников системы сигнализации генерируют во время своей активности пакеты значащих сигнальных единиц (СЕ) фиксированной длины каждые Т = Тт секунд, причем каждый поток пакетов сигнального

трафика обслуживается синхронно в момент начала кадра в порядке поступления.

Из структурной схемы функционирования модели видно, что пропускная способность служебного канала связи (КС) равна пропускной способности СМ с функциями управления медиа-шлюза т.е.

С =СГ* =[ At„ + A +Л 1,1/.,бит/с

mns max L r.i. v.v Vv ek

где я^д и-скорость поступления входящих потоков

пакетов сигнального трафика бит/с, соответственно; Мск -

число мультиплексируемых сигнальных КС. С учетом вероятность поступления потоков пакетов сигнального трафика на интервале т , скорость поступления входящих потоков

пакетов , A^ и , соответственно определяется следующим образом[' 1:

= Pi • С- А* = Pi  C^, Xtip - р}  Сф,

где pltp2 ,р. — вероятности поступления пакетов сигнального трафика в БН узлов Softswitch/IMS на интервале т , соответственно; Coit.,C,IK^Ci:r- скорость модуляции в служебном КС и равны С. =1/7" . , С- =1/7" , С -МТ . •

1 оке елке » .«у * xip е.sip

Для синхронизации в сети NGN при совместной передаче трафиков протокола, использована эффект ивная схема мультиплексирования, в которой используется синхронная структура формата кадра протоколов и системы сигнализации Sigtran и SIP на основе алгоритма временных меток [3,4].

С учетом вышеизложенного, исследуемые узлы Softswitch/IMS представляют собой систему массового об-

служивания (СМО) типа M/G/Nci/Ns,„ при критической загрузке р. < 1 (коэффициент перегрузки канала и jf^ —> оо ).

В СМО поступающий сигнальный трафик па обслуживание [3, 5J является пуассоновским, с интенсивностью i-\,n, (где п - общее количество типов потока сигнального трафика и все поступающие потоки трафика независимы, п — 1, 2, 3) длительность обслуживания г-го трафика имеет функцию распределения B{t)-P\B<i\ с преобразованием Лапласа-

Стилтьеса (ПЛС) = £'[exp(-6s)] и моментами br t~\,nt и средним Ь™ «х>.

Анализ модели процессов функционировании Звена сети сигнализации

На основе модели СМО, структурной схемы звена сети NGN и ее алгоритмов работы, функционирование системы передачи пакетов сигнального трафика описывается Марковским процессом. Случайный процесс r(f), описывающий функционирование СМО, задается компонентами = Й*(Ол«('У1(ДОЬ непрерывно зависящими от параметра времени ?е(0,7"1, и принимает значения в конечном пространстве состояний [3]. На основе алгоритмов работы узлов Softswitch/IMS определено, что СМО является системой с ограниченным временем ожидания и с бесконечным числом мест для ожидания.

Установлено [2], что при выполнении условия (À.OKC+X,ig+Xsip)/(Nc);/bi) существует стационарное состояние и множество возможных состояний S, описывающееся следующим образом:

S= {

где jVt, — число функциональных элементов узлов

Softswitch/IMS и сигнальных КС в звеньях мультисервис-ных сетей связи на базе архитектурной концепции NGN.

В данном случае, полученный Марковский процесс является процессом рождения и гибели. Эти условия можно сформулировать с помощью процесса размножения и гибели в следующим виде:

X = / = 1,2,3.....Nc/t + N0li ;

b "P" 0 < г < Nck

[Ncll-ju 1 +i-v,npu Nçk <i< Nçk + к где V — скорость ухода от узла Softswitch/IMS из очереди; к - число мест для ожидания; р — интенсивность обслуживания потоков пакетов. Для существования стационарного распределения очереди будем считать, что загрузка системы ft=^Lcn.

где £ - средняя длина передаваемого сигнального пакета и равно Lm = (10,,,,,279) байт.

Оценка качества функционирования узлов Softswitch/IMS

Коммутационные узлы Softswitch/iMS описывают новую сетевую архитектуру NGN, основным элементом которой является пакетная транспортная сеть, поддерживающая все технологии доступа и обеспечивающая реализацию большого числа инфокоммуникационных услуг. Исследование показали [1, 3, 5J, что дчя анализа сетей NGN важным показа-

тел ем является емкости БП узлов Softswitch/IMS мри обслуживании пакетов графика протокола Sigtran ,v™ и протокола SIP дг".

sip

Учитывая параметры СМ с функциями управления меди а-шлюза, емкость БН для передачи пакетов трафика протокола SIP N6J'p определяется следующим образом:

КМф) =

где о - общее количество входящего пакета сигнального

tCxljl

трафика протокола SIP; ап Jf - количества пакетов сигнального трафика протокола SIP, поступивших в систему Softswitch/IMS в течении «-го кадра.

Аналогично, емкость БЫ СМ с функциями управления медиа-шлюза при передаче пакетов сигнального трафика протокола Sigtran, определяется следующим выражением:

где о -общее количество входящего пакета сигнального

трафика протокола Sigtran; Ansjg — количество пакетов сигнального трафика протокола Sigtran, поступивших в систему Softswitch/IMS в течении «-го кадра: М N -озна-

г ' в  V1> я щф

чают соответственно, максимальное количество пакетов сигнальных трафиков протокола SIP и Sigtran, обслуженных в течение «-го кадра при скорости передачи пакетов по КС Ci max >(64.....1024) Кбит/с.

На основе ПЛС, выражения (4),...,(5) и в силу аддитивности процессов времени ожидания и обслуживания можно записать первые моменты функций распределения (ФР) время пребывания пакетов трафика сигнального протокола в СМОтипа ыю/Nctl

Аналогично, вторые моменты ФР, время пребывания пакетов трафика сигнального протокола в СМО типа M/G/Nj, /N6h описыва[отся следующим образом [7j:

где¿""'[7^ .,ХЛ, £<И1Т ./ij-соответственно, первые и вторые моменты времени ожидания обслуживания пакетов трафика сигнального протокола в СМО; ¿(П, б!3'-первые и

вторые моменты времени обслуживания пакетов графика протокола в СМО, / =

Используя формулу Литтла, определим среднюю длину очереди пакетов трафика сигнального протокола в виде СМО типа M/G/N^/N^:

%хр.

где cf~ квадратичный коэффициент вариации времени обслуживания [3, 71.

Рассмотрим условия порогового управления нагрузкой для анализа перег рузок системы сигнализации в сетях NGN [5J, Допустим, что длиной очереди порога обнаружения нагрузки достигает порогового значения. При достижении длиной очереди порога обнаружения нагрузки с;; (С;,интенсивность входящего потока Яг падает до 0.

При этом длина очереди порога обнаружения нагрузки равен ЦТп = N^-l- Здесь, предполагаем, что анализ СМО

проводится с использованием аппарата Марковским процессом восстановления. И процесс в УК Softswitch/IMS восстанавливается в тот момент, когда длина очереди становится меньше порога снижения перегрузки, т.е.

Учитывая выражения (8).....(10) можно определить среднее время пребывания пакетов трафика протокола и система сигнализации сетей NGN:

= + i = Un

Выражения

На основе общего решения СМО типа MIG/NH / Л'^ получены частные решения для системы М/М!Nck /N6„ И MIDINck IN,-n [5, 6|. Для данных СМО определены: среднее время пребывания и ожидания, а также средняя длина очереди пакетов протокола сетей NGN, являющиеся показателями качества обслуживания - QoS.

Одним из ключевых характеристик сетей NGN при обслуживании пакетов графика протокола сигнализации является коэффициент эффективного использования канального ресурса узлов коммутации Softswitch/IMS:

щ = тф= <ir

здесь характеристика q определяет вероятность наличия

пакетов сигнального трафика в системе и отражает полезную занятость Softswitch/IMS, для которого равно q =ArT > t = l,n, где J -длительность цикла работы системы сигнализации.

Выражение (12) характеризует эффективное использование переменной пропускной способности УК Softswitch/IMS при установлении соединении и мультимедийных услуг.

На рис. 2 представлены графические зависимости среднего времени пребывания пакетов трафика протокола сигнализации сетей NGN от коэффициента эффективного использования УК Softswitch/IMS для различных СМО при la,M,N и

. с

0.43X2(64. 2048Ж61ГГ/С //

M/G/Nck ГЫцп / / /

N-4 ji / 1

L сп =260баЯт У / /

М=б У / / /

/ /

j/

MAfNct/f^sH ,

M/i>/Ncb/Ыы

О 0,2 0,4 О.б 0,8 1,0 jy

Рис. 2. Зависимость среднего времени пребывания пакетов трафика протокола сетей NGN от коэффициента эффективного использован ия УК Softswitch/IMS

Из семейства графических зависимостей видио, что но мере уменьшения интенсивности передачи служебного трафика интервал пребывания пакета приближается к своему минимальному значению. Следовательно, при увеличении коэффициента использования пропускной способности узлов Softswitch/IMS, значительно возрастает среднее время пребывания пакетов трафика протокола и системы сигнализации сетей NGN, Его заметный рост начинается со значений Щ > 0,5.

Кроме того, на этом рисунке интервал времени пребывания нормирован на среднее время обслуживания пакета трафика протокола и системы сигнализации сетей NGN при различной скорости передачи С„,|ч > (64,.,.,2048) кбит/с в

каналах связи. Однако, при низком коэффициенте использования пропускной способности узлов Softswitch/IMS, среднее время пребывания служебного пакета в сети NGN больше, чем в системе типа А/ /М / Nck / N-u и М/D/Nik! N{m с

той же нагрузочной активностью.

Очевидно, что чем выше п, С и чем меньше

Е[Т ,Л, )> тем эффективнее при обеспечении требуемой

достоверности выбранный алгоритм обслуживание потоков пакетов графика системы и протокола сигнализации сетей NGN.

Заключение

Проанализирована эффективность функционирования мультисервисных сетей связи с использованием систем и протоколов сигнализации NGN при установлении соединении и выявлено, что использование ресурсов сетей NGN в интегральных сетях связи, полноценная их конвергенция в архитектуре Softswitch/IMS, позволит обеспечить абонентов уникальным набором возможностей и мультимедийных услуг. Предложена структурная схема дтя эффективного обслуживания и передача пакетов протокола и системы сигна-

лизации. На основе системно-технического анализа сетей NGN установлено, что рассматриваемый С МО с ожиданием и поведением модели узлов Softswitch/IMS описываются одномерным Марковским процессом с помощью которого определены условия процесса размножения п гибели.

Полученные в результате исследований аналитические выражения, позволяют определить эффективность передачи пакетов служебного трафика в мультисервисных сетях связи с использованием архитектурной концепции NGN при установлении соединений.

!. Мочалов В.П. Теоретические основы разработки и анализ вероятностно-временных характеристик распределенных систем управления телекоммуникационными сетями и услугами. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 365 с.

2. Летников А.И.. Пшеничников А.П.. Гайдамака Ю.В.. Чукарин A.B. Системы сигнализации в сетях с коммутацией каналов и пакетов. -М.: МТУСИ. 2008.-195 с.

3. Ибрагимов Б.Г., Гусейнов Ф.И.. Исмайлова С.Р. Исследование эффективности гибридных сетей связи с использованием протоколов сигнализации II Вестник компьютерных к информационных технологии, № I О, 2013. - С-50-54.

4. Деарт В.Ю. Мультисервисные сети связи. Протоколы И системы управления сеансами (Softswitch/IMS). - М,: Брис-М, 2011. -198 с.

5. Абаев П.О., Гайдамака Ю.В., Самуилов К.Е. Гиетерезисное управление сигнальной нагрузкой в сети SI ['-серверов II Вес шик РУДЫ. Серия Математика. Информатика. Физика, 2011. №.4. -С, 54-71.

6. Ибрагимов Б.Г.. Исмайлова С.Р. Анализ показателей эффективности функционирования мультисервисных сетей связи при передаче полезного и служебного трафика // Труды VI отраслевой научной конференции "Технологии Информационного Общества", МТУСИ. - Москва, 2012.-С.52-53.

7. Крылов В.В.. Самохвалова С.С. Теория телеграфика и ее приложения. - СПб.;БХВ - Петербург, 2005. - 288 с.

Research and analysis efficiency multiservice communication networks at use of architectural concept NGN

Ibrahimov B.G., professor of Azerbaijan technical university, i.bayram@mail.ru Ismaylova S.R., Institute of Cybernetic of ANSA, Baku, Azerbaijan

Abstract. Qualities of work of subsystem IMS (IP Multimedia Subsystem) in links of multiservice communication networks using are studied, (Next Generation Networks, NGN) and the new approach based on functioning of SIP-servers (Session Initiation Protocol, SIP) and technologies Sigtran (Signaling Transport) architectural concept NGN by transfer of the alarm traffic on IP-networks is offered. Controllers of media gateway (MGC) are considered the network architecture IMS defining interaction of an infrastructure protocols and systems signaling with which help the structural scheme of interaction of functional elements family of protocols SIP and Sgtran type signaling gateway (SG), media gateway (MG) and also is offered. Problems of overloads of SIP-servers in links of multiservice communication networks next generation network of the integrated services are investigated. As a result of research the analytical expressions are received, allowing to estimate efficiency of reports and system of the alarm system of networks NGN in multiservice communication networks.

Keywords: SIP-servers, efficiency, office traffic, network NGN, protocols and systems signaling, multiservice communication network. References

1. Motchalov V.P The theoretical basis for the development and analysis of ve-probabilistic-time characteristics of distributed systems management of telecommunications networks and serv'ces. Moscow.: FIZMATLIT, 2006. 365 p.

2. LeinikovA.I., PshenichnikovA.P., Gaydamaka Yu.V., Chukarin AV. Alarm systems in circuit-switched networks and packet. Moscow: MTUCI. 2008. 195 p.

3. Ibragimov B.G., Guseinov PI., Ismailova S.R. Research-effectiveness of hybrid communication networks c using the protocols signaling / Journal of computer and information-technologies, No10, 2013. Pp.50-54.

4. Deart VYu. Multiservice communication network. Protocols and system-theme session management (Softswitch / IMS). Moscow: Brice M, 2011. 198 p.

5. Abaev P.O., Gaydamaka Yu.V., Samuilov K.E. Hysteresis control signaling load in the network SIP-server / Herald Peoples' Friendship University. Series Mathematics. Informatics. Physics, 2011. No4. Pp. 54-71.

6. Ibragimov B.G., Ismaylova S.R. Analysis of the effectiveness indicators-efficiency operation of multiservice communication networks in transmission efficiency and service traffic / Proceedings of the VI Industry Conference "Information Society Technologies" E. Moscow, 2012. Pp.52-53.

7. Krylov VV, Samohvalova S.S. Teletraffic Theory and ils at-decomposition. St. Petersburg.: BHV - Petersburg, 2005. 288 p.

Литература