Имитационное моделирование процесса передачи пакетов с временными метками в IP-сети

проектирования и контроля качества технической документации.

Библиографический список

1. Эксплуатационные основы автоматики и телемеханики : учебник для вузов ж.-д. транспорта / Вл. В. Сапожников, И. М. Кокурин, В. А. Кононов, А. А. Лыков, А. Б. Никитин; под ред. Вл. В. Сапожникова. - М. : Транспорт, 2006. - 248 с.

2. Отраслевой формат технической документации на устройства СЦБ / М. Н. Василенко, В. Г. Трохов, П. Е. Булавский, О. А. Максименко // Автоматика, связь, информатика. - 2003. - № 4. - С. 9-11.

3. Теория и реализация языков программирования / В. А. Серебряков, М. П. Галочкин, Д. Р. Гончар, М. Г. Фуругян. - М. : МЗ-Пресс, 2006. - 357 с.

4. Теория и методы анализа качества функционирования автоматизированных технологических комплексов на железнодорожном транспорте : дис. ... д-ра техн. наук : 05.22.08 : защищена 27.05.93 : утв. 14.01.94 / Василенко Михаил Николаевич. -СПб., 1993. - 332 с. - Библиогр. : с. 270-296.

5. Методы и алгоритмы сокращения ошибок проектов железнодорожной автоматики и телемеханики : дис. ... канд. техн. наук : 05.22.08 : защищена 13.11.09 : утв. 12.03.10 / Тележенко Татьяна Александровна. - СПб., 2009. - 173 с. - Библиогр. : с. 121 -129.

УДК 656.254.7

А. С. Ванчиков, А. К. Канаев, В. В. Яковлев

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ ПАКЕТОВ С ВРЕМЕННЫМИ МЕТКАМИ В IP-СЕТИ

В статье представлена разработанная авторами имитационная модель и результаты моделирования процесса передачи пакетов с временными метками в IP-сети. Приведены результаты расчета величины задержки пакетов с временными метками с использованием математического аппарата робастных оценок. Даются рекомендации по использованию возможных механизмов противодействия влиянию состояний IP -сети на качество передаваемого сигнала синхронизации.

имитационное моделирование, синхронизация, IP-сеть.

Введение

Сеть синхронизации является одной из основных подсистем современной телекоммуникационной сети (ТКС) железнодорожного транспорта. В результате появления в составе ТКС разнородных технологий (PDH, SDH, IP) одним из ключевых вопросов становится передача сигналов синхронизации через участки, образованные в результате применения технологии IP, особенно в условиях

множественных отказов вследствие различных аварийных режимов [1,2].

В процессе анализа передачи пакетов с временными метками через IP-сети было выявлено большое количество факторов, сложный

динамический характер их изменения и существенные недостатки аналитических моделей для их описания [3]. Таким образом, для описания процесса передачи пакетов с временными метками через IP-сети, включающего взаимодействие элементов сложных систем (TDM и IP), следует применять аппарат имитационного моделирования. Это позволит решить задачи формирования требований к маршруту передачи и его организации в условиях изменения состояний элементов сети при поддержании заданного качества синхронизации.

1 Общее описание имитационной модели

Имитационная модель процесса передачи пакетов с временными метками через IP-сеть позволит определить влияние изменений загрузки фрагментов сети на качество восстановления исходного сигнала синхронизации. Разработанная имитационная модель позволит на ранних этапах синтеза структуры сети синхронизации ТКС определить допустимый уровень загрузки участков IP-сети в её составе для передачи сигналов синхронизации и назначения промежуточных узлов, в которых требуется восстановление синхронизации, в зависимости от видов потребителей и от требуемой точности синхронизации.

Блок-схема, соответствующая рассматриваемой имитационной модели представлена на рис. 1.

Б1

Рис. 1. Блок-схема имитационной модели функционирования сети синхронизации на участках IP-сетей в составе ТКС

Данная блок-схема включает в себя следующие блоки:

Б1. Блок ввода исходных данных и формирования начальных значений моделируемых переменных. Исходными данными являются: топология IP-сети, расположение узлов межсетевого взаимодействия (IWF - Interworking Function), нагрузка в IP-сети.

Б1.1. Блок формирования информационных потоков IP-сети, определяющий пропускную способность и процент загруженности информационными сообщениями пользователей узлов IP-сети. Данный блок определяет объем трафика на входах элементов с возможностью дискретного изменения значений входных потоков с шагом в 10 Мбит/с.

Б1.2. Блок формирования пакетов с временными метками и параметров управления, цифровой подстраиваемый генератор.

Б1.3. Блок формирования задач, решаемых системой синхронизации. Задачи формируются на базе блока Б1 с выбором моделей включения

участка IP-сети: на транспортном уровне ТКС, на транспортном уровне ТКС с функцией retiming в узлах межсетевого взаимодействия, на уровне доступа к транспортному уровню ТКС; определяется метод синхронизации: метод синхронного Ethernet, пакетно-ориентированный метод.

Б2. Блок анализа состояний сети синхронизации и определение результатов решаемых задач.

Б3. Блок формирования альтернативных маршрутов синхронизации и изменения структуры сети синхронизации.

Б4. Блок накопления и распределения избыточности структуры сети синхронизации.

Б5. Блок фиксации, обработки и анализа результатов моделирования.

Б6. Блок вывода результатов моделирования.

2 Имитационное моделирование процесса передачи пакетов с временными метками на сегменте IP-сети

На рис. 2 представлена модель сегмента пакетной сети, созданная для изучения вопроса оценки задержки и вариации задержки, вносимой узлами коммутации в процессе переноса информации через пакетную сеть. Макет эксперимента разработан на основании программного продукта Pocket Tracer 5.0 компании «Cisco Systems Inc.», позволяющего эмулировать работу оборудования пакетных сетей (элемент блока Б.2). Разработана модель фрагмента пакетной сети, состоящей из пяти маршрутизаторов, связанных между собой по кольцу оптическим интерфейсом Ethernet 1 Гбит/с. Все коммутаторы равномерно нагружаются трафиком, формируемым пакетами TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей). Кроме того, используется пакет ICMP (Internet Control Message Protocol - межсетевой протокол управляющих сообщений), одной из возможностей которого является передача меток времени. Таким образом, задачей эксперимента в рамках блока Б2 является определение задержки пакета ICMP и её вариации в зависимости от загруженности сети. Необходимо отметить, что в представленной модели эксперимента не предусматриваются возможные механизмы повышения качества обслуживания потока данных (например, MPLS), т. е. весь трафик обслуживается паритетно, что позволяет рассмотреть наихудший вариант задержки пакета с временной меткой.

Рис. 2. Модель сегмента пакетной сети

3 Анализ результатов имитационного моделирования процесса передачи пакетов с временными метками на сегменте IP-сети

Результаты имитационного моделирования работы пакетной сети с точки зрения вносимой задержки и дисперсии задержки пакета ICMP сведены в табл. 1 и 2, а также графически представлены на рис. 3.

ТАБЛИЦА 1. Величина задержки пакета ICMP

Номер экспери мента Заде ржка пакета ICMP при % наг рузки сети, мc

0 % 1,7% 8,4% 16,7 % 25 % 33,3 % 41,7 % 50 % 58,3 % 66,7 %

1 13 18 53 81 107 152 173 278 451 Более 1 c

2 16 15 49 79 106 195 182 251 Более 1c Более 1 c

3 16 20 44 83 130 270 241 254 623 Более 1 c

4 18 17 47 74 139 162 197 321 489 956

5 10 17 47 77 154 237 220 278 Более 1c Более 1c

6 14 18 44 85 115 168 271 Более 1c Более 1c 835

7 15 20 46 80 138 190 213 234 582 Более 1c

8 15 18 45 73 123 205 398 291 789 Более 1c

9 13 20 65 77 140 176 241 275 821 Более 1c

10 11 17 53 79 131 187 233 352 704 972

11 17 20 44 75 119 197 195 260 627 Более 1c

12 15 18 50 87 135 150 253 301 931 Более 1c

13 14 20 43 81 133 197 190 258 Более 1c 897

14 12 22 45 79 110 210 266 277 689 Более 1c

15 11 18 48 76 129 164 222 387 597 Более 1c

ТАБЛИЦА 2. Величина дисперсии задержки пакета ICMP

Нагрузка сети, % 0 1,7 8,4 16,7 25 33,3 41,7 50 58,3 66,7

Дисперсия задержки пакетов ICMP, с 5,4Д0-6 3,110-6 3,110-5 1,910^ 1,910^ 10-4 3 10-3 1,810-3 210-2 3,910-3

Рис. 3. Зависимость задержки пакетов от нагрузки в узлах коммутации. Результаты экспериментов с 1-го по 5-й

Анализ результатов имитационного моделирования позволяет сделать вывод о том, что задержка пакетов линейно возрастает при увеличении нагрузки в сети до 50 %, однако при дальнейшем увеличении нагрузки задержка передачи пакетов резко увеличивается и наблюдается значительный разброс ее значений для различных экспериментов.

В табл. 3 сведены результаты расчета значения задержки пакета ICMP, полученные при помощи различного математического аппарата (математическое ожидание, винзоризованная оценка, усеченная оценка и М-оценка Хампеля) [4, 5].

Вариация задержки относительно среднего значения графически представлена на рис. 4. Анализ вариации задержки пакетов позволяет сделать вывод о том, что для значений загрузки сети до 25 % вариация задержки не превышает 30 % от общего времени прохождения пакетов по сети, при значении загрузки сети от 25 % до 50 % вариация задержки составляет от 30 % до 100 % от общего времени прохождения пакетов по сети, при значении загрузки сети более 50 % вариация задержки превышает общее время прохождения пакетов по сети.

ТАБЛИЦА 3. Оценка величины задержки пакета ICMP

Нагрузка сети, % Значение задержки пакетов ICMP, мс

Математическое ожидание Винзоризованная оценка Усеченная оценка М-оценка Хампеля

0 14 13,9 14 14

1,7 18,53 18,53 18,54 18,54

8,4 48,2 47,5 47 46,6

16,7 79,1 79 78,9 78,5

25 127,3 126,4 126,8 126,9

33,3 190,6 188,6 187,7 184,3

41,7 233 225,1 224,9 218,9

50 286,9 285,6 283 276,1

58,3 663,9 657,4 657,9 663,9

66,7 915 926,5 926,5 915

номер эксперимента

Рис. 4. Вариация задержки относительно среднего значения

Таким образом, зная среднее значение вносимой задержки в узлах коммутации при определенной загруженности IP-сети и предъявляя требования по максимальной задержки пакета с временной меткой, которая позволяет корректно восстановить исходный синхросигнал, можно определить максимальный интервал восстановления. Например, накладывая ограничения по максимальной задержке пакета с временной меткой в 120 мс, на основе макета эксперимента получаем:

для 0 % загрузки сети интервал восстановления составляет 7 узлов коммутации;

для 1,7 % загрузки сети интервал восстановления составляет 5 узлов коммутации;

для 8,4 % загрузки сети интервал восстановления составляет 1 узел коммутации.

Пример определения интервала восстановления синхронизации при ограничении максимальной задержки представлены на рис. 5.

Рис. 5. Определение интервала восстановления синхронизации в узлах пакетной сети при ограничении максимальной задержки

Заключение

На основе представленных результатов имитационного

моделирования можно сделать следующие выводы:

1. Изменение нагрузки IP-сети влияет на величину задержки всех пакетов, циркулирующих в сети, в частности пакетов с временными метками. При более чем 50%-й загрузке IP-сети наблюдается резкая деградация качества обслуживания трафика, что является недопустимым в случае построения маршрутов передачи синхросигналов.

2. С увеличением нагрузки IP-сети также увеличивается вариация задержки пакетов, что существенно влияет на возможность восстановления синхросигнала на основе статистической выборки пакетов с временными метками.

3. Использование методов робастной оценки величины задержки пакетов с временными метками позволяет повысить точность измерения (до 7-10 %), особенно при появлении «выбросов» в статистической выборке значений задержки, что, в свою очередь, повышает точность восстанавливаемого синхросигнала.

4. Рост интенсивности трафика IP-сети уменьшает длину интервала восстановления синхросигнала, что говорит о целесообразности использования выделенных служебных каналов с гарантированным качеством обслуживания (например, на базе технологии MPLS) под трафик синхронизации.

Библиографический список

1. Timing and synchronization aspects in packet networks: Recommendation ITU-T G.8261. - 2008.

2. Circuit emulation service definitions, framework and requirements in Metro Ethernet Networks. Technical Specification MEF 3, 2004.

3. Решение проблем синхронизации в IP-сети / А. К. Канаев, А. С. Ванников, В. В. Кренев // Автоматика, связь, информатика. - 2011. - № 3. - С. 22-24.

4. Робастные методы обработки сигналов в радиотехнических системах

синхронизации / А. В. Макшанов, А. В. Смирнов, А. К. Шашкин. - СПб. : С.-

Петербургский гос. ун-т, 1991. -174 с.

5. Статистический анализ: подход с использованием ЭВМ / А. Афифи, С. Эйзен; пер. с англ. - М. : Мир, 1982. - 488 с. : ил.

УДК 004.65: 004.052.42

М. Л. Глухарев

МЕТОД ФОРМАЛЬНОЙ ВЕРИФИКАЦИИ ОГРАНИЧЕНИЙ ЦЕЛОСТНОСТИ И ТРИГГЕРОВ РЕЛЯЦИОННЫХ БАЗ ДАННЫХ

Верификация ограничений целостности и триггеров баз данных является актуальным направлением научных исследований и практических разработок. В настоящей статье рассматривается метод формальной верификации, основанный на метамодели требований целостности и позволяющий проверять функциональную корректность ограничений целостности и триггеров.

функциональная корректность, формальная верификация, спецификация, реализация, требование целостности, ограничение целостности, триггер, триггерная связка, формальный описатель, метамодель формальных описателей, восстановление описателей, сравнение описателей.

Введение

Ограничения целостности (ОЦ) и триггеры являются программными объектами [1], предназначенными для поддержки целостности данных в таблицах баз данных (БД). Под функциональной корректностью ОЦ и триггеров понимается соответствие реализуемых ими функциональных возможностей требованиям заказчика, предъявленным до начала разработки БД. В настоящее время на практике функциональная корректность ОЦ и триггеров проверяется с помощью методов