СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ГИБРИДНОЙ КОММУТАЦИИ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ, ГЕНЕРАТОР СЕТЕВОГО ТРАФИКА И МОДУЛЬ ИДЕНТИФИКАЦИИ
DIGITAL COMMUNICATION CHANNEL HYBRID SWITCHING METHOD AND APPARATUS, NETWORK TRAFFIC GENERATOR AND IDENTIFICATION MODULE

Группа изобретений объединена единым изобретательским замыслом, относится к области информационно-вычислительных сетей и может быть использована, например, при проектировании центров коммутации на цифровых сетях интегрального обслуживания.
Известен способ гибридной коммутации (см. патент ЕПВ (ЕР). №0403911 А1, 27.12.1990 г. Кл. H04L 12/64), позволяющий коммутировать каналы в режиме синхронной цепи и в режиме синхронного и асинхронного пакетов. Данный способ основан на использовании режима разделения времени между абонентами, причем временной интервал доступа присваивают различным абонентам в режиме коммутации пакетов, что ведет к ограничению объема требуемой оперативной памяти центров коммутации сети связи.
Недостатком данного способа коммутации является то, что он не обеспечивает эффективного использования каналов связи, так как при подобном управлении неизбежно возникают паузы между моментом отправки сообщения и моментом выдачи отправителем очередного сообщения, что увеличивает среднее время задержки сообщения. Также способ не предусматривает обучение системы для статистически обоснованного выбора режима коммутации, что немаловажно при обслуживании современных видов трафика и при проектировании (моделировании) сложных сетей связи.
Также известен способ адаптивной коммутации (см. Самойленко С.И. Метод адаптивной коммутации // Электросвязь. - 1981. - №6.), 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.
Недостаток данного способа коммутации состоит в высокой вероятности отказа в обслуживании сообщений, поскольку выбор того или иного способа коммутации осуществляется в режиме с отказами при отсутствии свободных ячеек памяти. При этом сообщения разбиваются на блоки и записываются в общее поле памяти независимо от способа коммутации, а различные блоки одного и того же сообщения могут передаваться с использованием различных методов коммутации, что приводит к нарушению масштаба времени всего сообщения.
пор
пop
пор
пор
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу (прототипом) является способ гибридной коммутации (Jenny Christian J., Kummerle Karl, Burge Helmut. Network node with integrated circuit / Packet switching capabilities. - "Communes. Networks Eur. Comput. Conf., London, 1975". Oxbridge, 1975, 207-228), основанный на интеграции коммутационного оборудования, необходимого для реализации каждого метода коммутации: каналов и пакетов. Способ-прототип заключается в том, что предварительно устанавливают пороговое значение длины L сообщения, сравнивают длину L принимаемого сообщения с L и по результатам сравнения принимают решение о выборе режима коммутации. При этом если L>L, то выбирают режим коммутации каналов. В противном случае при L<L выбирают режим коммутации пакетов.
Недостатками данного способа коммутации являются относительно большие временные задержки передачи сообщений, вызывающие частые блокировки и отказы в обслуживании при передаче длинных сообщений в режиме коммутации пакетов, а также нарушение реального масштаба времени передачи сообщений. Кроме того, данный способ также не предусматривает предварительного обучения системы при выборе режимов коммутации для разнородного трафика, что опять же приводит к росту среднего времени задержки сообщений из-за времени, отводимого на анализ.
Известно устройство гибридного коммутатора сообщений, состоящее из блока ввода-вывода, блока управления, запоминающего блока и коммутатора (Баркун М.А., Ходасевич О.Р. Цифровые системы синхронной коммутации. - Москва: Эко-Трендз, 2001).
Недостатком данного устройства является относительно большое время задержки в передаче сообщений, вызванное отсутствием возможности автоматического управления режимами коммутации в зависимости от величины трафика и использованием отдельных трактов оборудования для осуществления режимов коммутации каналов и коммутации пакетов. Также в нем отсутствует режим обучения системы на различные типы нагрузки (трафика), что приводит к увеличению времени задержки при прохождении сообщений через устройство.
Известно устройство узла адаптивной коммутации (см. Самойленко С.И. Метод адаптивной коммутации. // Электросвязь. - 1981. - №6.), содержащее входной процессор, общую память, процессор взаимодействия с абонентами, связанный с общей памятью, процессор обработки пакетов, вход которого соединен с выходом общей памяти, а выход - с входом процессора управления, выходы которого подсоединены к входам входного процессора, процессора взаимодействия с абонентами и выходного процессора, связанного входом с общей памятью, выходные шины которого являются входами выходных трактов.
Недостатками данного устройства является относительно высокая вероятность отказов в обслуживании и временная задержка сообщений на реальных каналах связи, вызванная низкой эффективностью использования пропускной способности выходных трактов, а также отсутствием режима обучения системы на различные типы нагрузки (трафика).
пор
пор
Наиболее близким к заявленному устройству гибридной коммутации цифровых каналов связи является устройство, описанное в работе Будко П.А., Федоренко В. В. Управление в сетях связи. Математические модели и методы оптимизации. - М.: Издательство физико-математической литературы, 2003. - С.192-196, рис.5.9. Структурная схема данного центра коммутации содержит модули доступа, промежуточной памяти, идентификации, сопряжения с каналами связи и управления. При этом первый, второй, третий и четвертый «входы-выходы» модуля управления соединены с «входами-выходами» соответственно модулей доступа, промежуточной памяти, идентификации и сопряжения с каналами связи, а управляющий выход «режим коммутации» модуля идентификации подключен к управляющему входу «режим коммутации» модуля промежуточной памяти. Входы абонентов подключены к входам модуля доступа, а выходы модуля сопряжения с каналами связи являются выходами устройства. Входящее от абонента сообщение через модуль доступа поступает в модуль идентификации, где анализируется его длина L. Если L>L, то сообщение в режиме коммутации каналов передается в модуль сопряжения с каналами связи и далее к абоненту-получателю. При L<L сообщение из модуля идентификации поступает в модуль промежуточной памяти, где разбивается на пакеты, и далее через модуль сопряжения с каналами связи в режиме коммутации пакетов передается в каналы связи получателю сообщения.
Недостатками прототипа являются относительно большие временные задержки в обслуживании неравномерного трафика, на нагрузках, близких к критическим, а также неконтролируемый рост величины вероятности отказа в обслуживании сообщения при изменяющихся видах трафика и интенсивности его поступления.
Известны генератор шума (см. Авторское свидетельство СССР №369673, Кл. H03B 29/00, 1971 г.) и многоканальный генератор с временным методом декорреляции сигналов, содержащий генератор шума, генератор тактовых импульсов, квантователь, интерполятор, временной коммутатор и переключатель (см. Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов. - М.: Энергия, 1971, с.84).
Недостатком указанных генераторов является малый диапазон генерируемых последовательностей, сильно зависимых от исходного сигнала, поскольку получаемые в результате преобразования импульсы имеют плотность вероятностей исходного сигнала в виде случайных по амплитуде периодических импульсов, а сам генератор не позволяет раздельно регулировать время корреляции, следовательно, и спектральную плотность.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому изобретению является генератор случайных сигналов (см. Авторское свидетельство СССР №1116524, Кл. H03B 29/00), содержащий генератор шума, элемент выборки и хранения, элемент сравнения, перестраиваемый генератор тактовых импульсов, генератор линейно изменяющегося напряжения, управляющий элемент и перестраиваемую линию задержки. При этом выход генератора шума подключен к первому выходу элемента выборки и хранения, выход которого подключен к первому входу элемента сравнения, к второму входу которого подключен выход генератора линейно изменяющегося напряжения, а выход элемента сравнения подключен к первому входу управляющего элемента. Причем выход перестраиваемого генератора тактовых импульсов подключен к первому входу генератора линейно изменяющегося напряжения, к регулируемой линии задержки и второму входу управляющего элемента.
1
2
Недостатком прототипа является узкий класс генерируемых случайных импульсных последовательностей, не позволяющий имитировать различные виды трафика современных телекоммуникационных систем, работающих по технологии ATM, SDH и др.
1) ATM - Asynchronous Transmission Mode - асинхронный режим передачи
2) SDH - Synchronous Digital Hierarchy - синхронная цифровая иерархия
Известно устройство идентификации системы автоматического контроля объекта (Фомин Л.А., Черноскутов А.И. Оптимизация ошибок при двухэтапной процедуре контроля // Автоматика и вычислительная техника. -1975. - №3. - С.34-37), содержащее блок регистрации, два элемента И, блок сравнения, первый выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй выход - с первым входом второго элемента И, выход которого подключен к первому входу блока регистрации, блок суммирования, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, блоки преобразования, подключенные каждый своим выходом к одному из входов блока суммирования и входом - к соответствующему информационному входу устройства, датчик случайных чисел, первый выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, второй выход - с вторым входом второго элемента И, блок управления, выход которого соединен с входом датчика случайных чисел и вторым входом блока регистрации.
Недостатком устройства является высокий коэффициент простоя, поскольку для контроля сложных технических систем и идентификации их состояния необходимо производить измерение, преобразование и обработку большого числа параметров, что нередко связано с отключением системы и ее простаиванием.
Также известно устройство принятия решения (см. Фомин Л.А., Будко П.А. Эффективность и качество инфокоммуникационных систем. Методы оптимизации. - Москва: Физматлит, 2008. - С.146-157, рис.3.15), реализующее условие нахождения оптимального значения порогов, обеспечивающих минимальную ошибку идентификации состояния системы, при этом в сравнении с описанным выше устройством в него введены дополнительный блок преобразования, два блока формирования пороговых значений, второй блок сравнения, третий элемент И и элемент ИЛИ. Датчик случайных чисел заменен генератором искусственного трафика. Элемент ИЛИ подключен своими входами к выходам первого и третьего элементов И, выходом - к первым входам блоков формирования пороговых значений и к третьему входу блока регистрации, подсоединенного вторым входом к первому выходу первого блока сравнения и первому входу третьего элемента И. Второй выход блока сравнения соединен со входами блоков преобразования и с третьими входами первого и второго элементов И. Первый вход первого блока сравнения подключен к выходу дополнительного блока преобразования, входы которого соединены с соответствующими выходами генератора искусственного трафика и входом системы, вторые входы блоков сравнения подключены к выходам соответствующих блоков формирования пороговых значений, вторые входы которых соединены с выходом блока управления, третьи входы - с выходом второго элемента И, второй вход третьего элемента И соединен с первым выходом генератора искусственного трафика.
Недостатком устройства является относительно высокая вероятность отказа в обслуживании, вызванная тем, что назначение порогов осуществляется без учета общего состояния телекоммуникационной системы и величины загрузки буферных устройств узлов коммутации каналов связи, вызывающее блокировку устройства на загруженной сети, при передаче коротких сообщений методом коммутации пакетов.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является идентификатор блока принятия решения (см. Патент РФ №2450335 (фиг.4), Кл. G06F 15/00, G05B 23/00. Опубликован 10.05.2012 Бюл. №13), содержащий аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к первому входу элемента сравнения, выход которого подключен к первому входу управляющего элемента, второй вход которого является управляющим входом «установка 0». При этом цифроаналоговый преобразователь состоит из М преобразователей признаков «параметры», подключенных к сумматору. На второй вход элемента сравнения подается значение порогового напряжения из блока принятия решения.
Недостатком прототипа является его относительно низкая производительность, вызванная ростом времени задержки сообщений из-за необходимости производить измерение, преобразование и обработку большого числа параметров, что нередко связано с отключением системы и ее простаиванием.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленных способа и устройства гибридной коммутации цифровых каналов связи, генератора сетевого трафика и модуля идентификации, является снижение временных задержек в передаче сообщений при допустимом уровне отказов в обслуживании за счет выбора режима коммутации, учитывающем уровень загрузки буферов памяти и реализации режима обучения и настройки устройства с широким классом видов трафика, используемого в современных технологиях ATM, SDH и др., а также повышения производительности модуля идентификации параметров сообщений.
пор
пор
пор
<mrow><mi>ρ</mi><mfrac><mi>n</mi><mi>m</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>Р</mi><mfrac><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>к</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>ρ</mi><mfrac><mi>n</mi><mi>m</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>L</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>U</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>U</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>U</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msup><mi>U</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msup><mo>></mo><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
mn
mn
mn
mn
В заявленном способе гибридной коммутации цифровых каналов связи технический результат достигается тем, что предварительно устанавливают пороговое значение длины L сообщения, сравнивают длину L принимаемого сообщения с L и по результатам сравнения принимают решение о выборе режима коммутации. При этом для предварительной установки значения L генерируют сетевые трафики с отличающимися длинами сообщений L и интенсивностью λ их поступления для N типов сетей связи и M видов трафика, по данным L и λ и заданной интенсивности обслуживания сообщений µ вычисляют коэффициент загрузки
для каждого m-го вида трафика и n-го типа сети связи, где m=1,2, М; n=1,2, …, N, удовлетворяющий требованию выполнения заданной вероятности отказа
в обслуживании, и по полученным результатам вычислений
рассчитывают соответствующие ему критические длины
сообщения и формируют критические значения уровней порога
переключения режима коммутации, причем массив сформированных значений
запоминают, принимают от абонентов сообщения на обслуживание, измеряют их длины L, идентифицируют для каждого сообщения его вид трафика m и тип сети n, запоминают принятое сообщение, преобразуют измеренную длину сообщения L в значение уровня напряжения U и сравнивают его с соответствующим ему предварительно вычисленным пороговым значением
, при
выбирают режим «коммутации каналов» и устанавливают физическое соединение для передачи сообщения получателю, в противном случае сообщение L разбивают на пакеты, каждый из которых снабжают адресной частью в их заголовках и выбирают режим «коммутации пакетов» для дальнейшей передачи получателю по виртуальному соединению в режиме дейтограмм.
<mrow><mi>L</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
пор
Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков способа гибридной коммутации цифровых каналов связи и введенной последовательности действий обеспечивается предварительное обучение системы и более корректная оценка параметров поступающих на обслуживание сообщений, на основе чего обосновывается выбор режима коммутации и достигается поставленная цель по своевременной доставке сообщений с допустимым значением вероятности отказа. При этом величина
, а следовательно, и L может быть установлена как путем анализа трафика, поступающего в устройство гибридной коммутации цифровых каналов связи, так и за счет обучения системы заблаговременно, путем моделирования различных видов сетевого трафика при проектировании устройства и сети.
В заявленном устройстве гибридной коммутации цифровых каналов связи технический результат достигается тем, что в устройстве гибридной коммутации цифровых каналов связи, содержащем модули доступа, промежуточной памяти, идентификации, сопряжения с каналами связи и управления, причем первый, второй и третий «входы-выходы» модуля управления соединены с «входами-выходами» соответственно модулей доступа, промежуточной памяти, идентификации и сопряжения с каналами связи, управляющий выход «режим коммутации» модуля идентификации подключен к управляющему входу «режим коммутации» модуля промежуточной памяти, входы абонентов подключены к входам модуля доступа, а выходы модуля сопряжения с каналами связи являются выходами устройства, дополнительно введен генератор сетевого трафика, информационный выход которого подключен к первому информационному входу модуля промежуточной памяти, к второму информационному входу которого подключен информационный выход модуля доступа, управляющие выходы «генератор сетевого трафика», «величина задержки» и «включение» модуля управления подключены к соответствующим управляющим входам генератора сетевого трафика, а управляющие выходы «величина порога» и «установка 0» - к соответствующим управляющим входам модуля идентификации, управляющий вход «длина сообщения» и информационный вход которого соединены соответственно с управляющим выходом «длина сообщения» и информационным выходом модуля промежуточной памяти, а информационные выходы «коммутация каналов» и «коммутация пакетов» подключены к информационным входам соответственно «коммутация каналов» и «коммутация пакетов» модуля сопряжения с каналами связи.
Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков устройства гибридной коммутации цифровых каналов связи обеспечивается снижение вероятности отказа и среднего времени задержки сообщений при обслуживании устройством неравномерного трафика за счет предварительного обучения системы и учета ее состояния при выборе режима коммутации, чем и достигается поставленная цель. Причем уведомление устройства гибридной коммутации цифровых каналов связи о длине подлежащего передаче сообщения в фазе установления соединения позволяет предотвратить коллизии в сети, связанные с переполнением памяти узлов коммутации, повысить эффективность использования каналов связи за счет передачи очень длинных сообщений в реальном масштабе времени по физическому соединению и уменьшить общее число сообщений, получающих отказ в обслуживании по причине отсутствия свободных буферов памяти. При этом хранение длинных сообщений возложено на вызывающего абонента, а время не должно превышать некоторой величины τ в соответствии с рекомендацией Q.543 сектора JTU-Т (CCITT).
В заявленном генераторе сетевого трафика технический результат достигается тем, что в известный генератор случайных сигналов, содержащий генератор шума, элемент выборки и хранения, элемент сравнения, перестраиваемый генератор тактовых импульсов, генератор линейно изменяющегося напряжения, управляющий элемент и регулируемую линию задержки, причем выход генератора шума подключен к первому выходу элемента выборки и хранения, выход которого подключен к первому входу элемента сравнения, к второму входу которого подключен выход генератора линейно изменяющегося напряжения, а выход элемента сравнения подключен к первому входу управляющего элемента, выход перестраиваемого генератора тактовых импульсов подключен к первому входу генератора линейно изменяющегося напряжения, дополнительно введен электронный ключ, первый вход которого подключен к выходу регулируемой линии задержки, второй вход подключен к второму входу элемента выборки и хранения и к выходу перестраиваемого генератора тактовых импульсов, вход линии задержки подключен к выходу элемента сравнения, выход электронного ключа подключен к второму входу управляющего элемента, входы генератора шума, перестраиваемого генератора тактовых импульсов, генератора линейно изменяющегося напряжения и третьего входа электронного ключа объединены и являются управляющим входом «включение» генератора сетевого трафика, управляющий вход «величина задержки» которого является вторым входом регулируемой линии задержки, а второй управляющий вход перестраиваемого генератора тактовых импульсов и информационный выход управляющего элемента являются соответственно управляющим входом «генератор тактовых импульсов» и информационным выходом генератора сетевого трафика.
Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков генератора сетевого трафика обеспечивается более широкий класс генерируемых случайных импульсных последовательностей, позволяющий моделировать основные виды трафика современных телекоммуникационных систем за счет использования в своем составе перестраиваемого генератора тактовых импульсов, регулируемой линии задержки и настраиваемого на случайные последовательности с основными законами распределения генератора шума. Причем, обеспечивая режим обучения, генератор сетевого трафика позволяет прогнозировать нагрузку телекоммуникационной системы без привлечения пользователей (абонентов).
В заявленном модуле идентификации технический результат достигается тем, что в известный идентификатор, содержащий аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к первому входу элемента сравнения, выход которого подключен к первому входу управляющего элемента, второй вход которого является управляющим входом «установка 0» модуля, дополнительно введены вычислитель порога, выход которого подключен к второму входу элемента сравнения, и электронный ключ, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам управляющего элемента, информационные выходы «коммутация каналов» и «коммутация пакетов» электронного ключа являются соответствующими информационными выходами модуля, выход элемента сравнения является управляющим выходом «режим коммутации» модуля, управляющие входы цифроаналогового преобразователя и вычислителя порога являются управляющими входами соответственно «длина сообщения» и «величина порога» модуля, а информационный вход электронного ключа является информационным входом модуля.
Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков модуля идентификации решение о выборе режима коммутации осуществляется непосредственно в модуле на основе сравнения измеренной длины поступившего на коммутацию сообщения с расчетной величиной порога для изменения режимов коммутации, а само пороговое значение длины сообщения устанавливается с учетом коэффициента загрузки устройства или по результатам его обучения, что обеспечивает снижение среднего времени задержки сообщений за счет сокращения времени анализа при выборе режима коммутации, чем и достигается поставленная цель.
Заявленные технические решения поясняются чертежами, на которых показаны:
на фиг.1 - структурная схема устройства гибридной коммутации цифровых каналов связи;
на фиг.2 - функциональная схема генератора сетевого трафика;
на фиг.3 - геометрическая интерпретация процесса формирования сетевого трафика;
на фиг.4 - функциональная схема модуля идентификации;
на фиг.5 - принципиальная схема вычислителя порога;
на фиг.6 - принципиальная схема электронного ключа;
на фиг.7 - геометрическая интерпретация способа гибридной коммутации цифровых каналов связи;
на фиг.8 - графики зависимости времени задержки и вероятности отказов от объема буферной памяти устройства и интенсивности трафика.
Реализация заявленного способа гибридной коммутации цифровых каналов связи объясняется следующим образом.
<mrow><mi>U</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ρ</mi><mi>m</mi><mi>n</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ρ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>к</mi></mrow><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ρ</mi><mi>m</mi><mi>n</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mi>U</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>U</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
пор
Первым этапом способа является обучение системы, при котором устанавливают пороговые значения
, соответствующие пороговым длинам сообщений L для различных видов трафика m и типов сетей n. Для этого генерируют импульсные последовательности с различными длинами сообщений L и интенсивностью λ их поступления, моделируя основные виды трафика m при различных дисциплинах обслуживания (протоколах) сетевых технологий n. По данным L и λ и заданной интенсивности обслуживания сообщений µ вычисляют коэффициент загрузки
для каждого m-го вида трафика и n-го типа сети связи, удовлетворяющий требованию выполнения заданной вероятности отказа
в обслуживании, и по полученным результатам вычислений
рассчитывают соответствующие ему критические длины сообщения и формируют критические значения уровней порога
переключения режима коммутации. Рассчитанные значения
для различных типов запоминают в виде массива данных.
mn
mn
mn
1
mn
2
3
<mrow><mi>U</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msup><mi>U</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msup><mo>></mo><mi>U</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msup><mi>U</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msup><mo>></mo><mi>U</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
Вторым этапом способа является выбор режима коммутации сообщений. При этом в фазе установления соединения с вызывающим абонентом принимают сообщение на обслуживание, измеряют его длину L, идентифицируют вид трафика m и тип сети n по адресу назначения и запоминают длину L сообщения, соответствующего виду трафика и типу сети. Далее преобразуют измеренную длину сообщения L в значение уровня напряжения U, и сравнивают его с соответствующим ему предварительно вычисленным на этапе обучения пороговым значением
, при
выбирают режим «коммутации каналов» и устанавливают физическое соединение для передачи сообщения получателю, в противном случае, при
, сообщение L разбивают на пакеты, каждый из которых снабжают адресной частью в их заголовках и выбирают режим «коммутации пакетов» для дальнейшей передачи получателю по виртуальному соединению в режиме дейтограмм.
Процедура формирования информационных пакетов из сообщения подробно описана, например, в [1]
<mrow><mi>L</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>U</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
Пример расчета критической длины
сообщения для формирования критические значения уровней порога
представлен в приложении 1.
1) Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами.
2) Коммутация пакетов подразумевает коммутацию, при которой информация разделяется на отдельные пакеты, передаваемые в сети независимо друг от друга.
3) Дейтаграмма - блок информации, посланный как пакет сетевого уровня через передающую среду без предварительного установления соединения и создания виртуального канала.
Заявленное устройство гибридной коммутации цифровых каналов связи, показанное на фиг.1, состоит из:
модуля доступа 1, осуществляющего сопряжение входящих линий абонентов с устройством;
генератора сетевого трафика 2, формирующего в режиме обучения для основных типов сетей различные виды современного сетевого трафика (данные, звук, видео и др.);
модуля промежуточной памяти 3, выделяющего объемы буферного пространства памяти для хранения сообщений и пакетов, а также производящего их обработку;
модуля идентификации 4, формирующего решение на осуществление режима коммутации каналов или режима коммутации пакетов с учетом длины передаваемого сообщения, объема загрузки буферов памяти и текущего состояния каналов;
модуля сопряжения с каналами связи 5, осуществляющего сопряжение устройства с каналами связи для организации виртуального канала или дейтограммной рассылки пакетов информации в сеть связи;
модуля управления 6, служащего для управления и контроля соединения исходящих и входящих линий, выполняющего функции управления устройством, а также функции по вычислениям, логике и другие, связанные с учетом и контролем текущего его состояния.
Такая структура устройства гибридной коммутации цифровых каналов связи позволяет осуществлять управление его работой обычным процессором.
При этом выходы абонентов подключены к входам модуля доступа, информационный выход которого соединен с первым информационным входом модуля промежуточной памяти, второй информационный вход «генератор сетевого трафика» которого соединен с информационным выходом генератора сетевого трафика, а информационный выход поступает на информационный вход модуля идентификации, с которым помимо этого сопряжен по управляющему выходу «длина сообщения» и через управляющий вход «режим коммутации». В свою очередь, модуль идентификации через управляющие входы «величина порога» и «установка 0» сопряжен с модулем управления, а через информационные выходы «коммутация каналов» и «коммутация пакетов» с модулем сопряжения с каналами связи, выходы которого являются информационными выходами устройства к доступным каналам сети связи. Управление устройством осуществляется модулем управления, сопряженного своими первым, вторым и третьим управляющими входами-выходами с модулем доступа, модулем промежуточной памяти и модулем сопряжения с каналами связи, а управляющими выходами «генератор тактовых импульсов», «величина задержки» и «включение» - с генератором сетевого трафика.
Заявленное устройство гибридной коммутации цифровых каналов связи работает в трех режимах:
в режиме коммутации пакетов;
в режиме коммутации каналов;
в режиме обучения.
кр
При реализации режима коммутации пакетов в фазе установления соединения абонентов с устройством между ними происходит диалог, в ходе которого выясняют длину сообщения L и адрес вызываемого абонента. В конце этой фазы выбирается метод коммутации посредством анализа длины сообщения и занятости буферной памяти модуля промежуточной памяти 3. Если длина сообщения не превышает критическую величину, т.е. L<L, а все буферы канала, установленного для передачи сообщения адресату, свободны, то по команде с выхода элемента сравнения 4.3 модуля идентификации 4 (см. фиг.4) через управляющий выход «режим коммутации» сообщение разбивают на пакеты в модуле промежуточной памяти 3 и передают на информационный вход модуля идентификации и на информационный вход первого элемента И1 (см. фиг.6) электронного ключа 4.5, управляющий вход которого в исходном состоянии находится под высоким потенциалом, снимаемым с инверсного выхода управляющего элемента (триггера) 4.4 модуля идентификации, и далее транслируют через модуль сопряжения с каналами связи 5 в дейтограммном режиме абоненту-получателю. Модуль управления 6 обеспечивает модуль промежуточной памяти 3 информацией, необходимой для формирования заголовков пакетов, размещает пакеты в выделенной части буфера памяти, пересылает адрес буфера в адресный регистр модуля 5, обрабатывающего выходящие линии. В аналогичных устройствах гибридной коммутации транзитных узлов и узла назначения также выделяется необходимый объем буферной памяти для каждого виртуального соединения под пересылку или сборку сообщения соответственно.
кр
Реализация режима коммутации каналов заключается в следующем. Если длина сообщения превышает пороговую величину, т.е. L<L, то независимо от состояния буферной памяти и величины трафика принимается решение об установлении физического соединения и передаче сообщения в режиме коммутации каналов (см. фиг.7). В этом случае сообщение может быть передано непосредственно в модуль сопряжения с каналами связи 5 путем подачи соответствующего уровня потенциала на второй вход элемента сравнения 4.3 модуля идентификации (см. фиг.4). Функции модуля управления 6 в этом случае сводятся к анализу адресной части сообщения и установлению физического соединения. Если часть буферной памяти занята и(или) недостаточна для размещения всего сообщения, то принятие решения об использовании метода коммутации каналов принимается в блоке идентификации 4 в
кр
соответствии с выражением L<k·L путем подачи соответствующих потенциалов на первый и второй входы схемы сравнения 4.3 модуля идентификации.
<mrow><mi>L</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>U</mi><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></mfrac></mrow>
Режим обучения может включаться заблаговременно на этапе проведения пусконаладочных работ, или в ходе эксплуатации при отсутствии реального трафика (также при проведении специальных тренировок). Модуль управления 6 устройства гибридной коммутации цифровых каналов связи постоянно контролирует по линиям управления загрузку буферов модуля промежуточной памяти 3 и состояния каналов связи в модуле 5. При построении устройства гибридной коммутации цифровых каналов связи, а также в отсутствие реального трафика для передачи сообщений модуль управления через управляющий выход «включение» включает режим обучения, при котором генератором сетевого трафика 2 моделируются различные режимы нагрузки системы, необходимые в процессе обучения и настройки устройства. При этом для основных типов сетей (ATM, SDH и др.) формируют последовательности сообщений, характерные различным видам сетевого трафика (данные, звук, видео и др.). В результате проведения методом статистических испытаний набирают статистику для различных видов трафика m и типов сетей n в определении критической длины сообщения,
, влияющую на величины соответствующих ей порогов напряжения
для переключения режимов коммутации. Физический смысл критической длины сообщения заключается в выборе такой длины сообщения, которая при заданном виде трафика не вызывает роста таких показателей, как загрузки объема буферов памяти, среднего времени задержки сообщений и вероятности отказа в обслуживании сообщения. При увеличении данных показателей (система близка к блокировке) устройство должно изменить режим коммутации пакетов на режим коммутации каналов. И, наоборот, при снижении данных показателей (сеть недогружена) режим коммутации каналов изменяется на режим коммутации пакетов. Массив статистических данных, полученных при моделировании различных типов сетей n видов сетевого трафика т, сохраняют в модуле промежуточной памяти для последующего использования при включении основных режимов работы устройства.
Генератор сетевого трафика 2 (ГСТ) предназначен для формирования в режиме обучения для основных типов сетей различных видов современного сетевого трафика. Его схема может быть реализована различным образом, например, как показано на фиг.2. При этом она включает в свой состав (см. фиг.2):
генератор шума 2.1, предназначенный для формирования (генерации) случайных сигналов с основными законами распределения;
элемент выборки и хранения 2.2, предназначенный для получения мгновенных значений напряжения из случайных сигналов (формируемых генератором шума) в заданные моменты времени, и состоит из смесителя и экстраполятора нулевого порядка;
элемент сравнения 2.3, предназначенный для сравнения значений напряжений сигналов, подаваемых на его входы, и представляющий собой компаратор;
генератор линейно изменяющегося напряжения 2.4, предназначенный для формирования пилообразного напряжения;
регулируемая линия задержки 2.5, предназначенная для формирования заднего фронта импульса, задержанного по времени на необходимую величину;
электронный ключ 2.6, предназначенный для переключения видов формируемых импульсных последовательностей и содержащий два информационных входа, управляющий вход и информационный выход;
перестраиваемый генератор тактовых импульсов 2.7, предназначенный для генерирования тактовых импульсов с различным периодом следования;
управляющий элемент 2.8, предназначенный для формирования выходного искусственного трафика для обучения системы и представляющий собой RS-триггер.
При этом выход генератора шума 2.1 подключен к первому выходу элемента выборки и хранения 2.2, выход которого подключен к первому входу элемента сравнения 2.3, к второму входу которого подключен выход генератор линейно изменяющегося напряжения 2.4, а выход элемента сравнения подключен к первому входу управляющего элемента 2.8 и параллельно к входу регулируемой линии задержки 2.5. Выход перестраиваемого генератора тактовых импульсов 2.7 подключен к первому входу генератора линейно изменяющегося напряжения 2.4, управляющему входу элемента выборки и хранения 2.2 и к второму входу электронного ключа 2.6, первый вход которого соединен с выходом регулируемой линии задержки 2.5, а выход поступает на второй вход управляющего элемента 2.8. Входы генератора шума 2.1, перестраиваемого генератора тактовых импульсов 2.7, генератора линейно изменяющегося напряжения 2.4 и третьего входа электронного ключа 2.6 объединены и являются управляющим входом «включение» генератора сетевого трафика 2, управляющий вход «величина задержки» которого является вторым входом регулируемой линии задержки 2.5, а второй управляющий вход перестраиваемого генератора тактовых импульсов 2.7 и информационный выход управляющего элемента 2.8 являются соответственно управляющим входом «генератор тактовых импульсов» и информационным выходом генератора сетевого трафика 2.
В режиме обучения заявленный генератор сетевого трафика работает следующим образом. При подаче из модуля управления устройства гибридной коммутации цифровых каналов связи на генератор сетевого трафика 2 (см. фиг.2) через управляющий вход «включение» управляющего сигнала в двоичном коде «11» происходит включение генератора и, соответственно по управляющему сигналу «00», его отключение. При этом команды включения и выключения параллельно поступают на генератор шума 2.1, перестраиваемый генератор тактовых импульсов 2.7 и генератор линейно изменяющегося напряжения 2.4. При подаче управляющего сигнала «01» происходит включение режима генерации последовательности импульсов, длительность которых изменяется по случайному закону. На выходе генератора сетевого трафика 2 формируются импульсы с фиксированным по положению тактового импульса задним фронтом. Этот случай соответствует сетям SDH (синхронной цифровой иерархии).
Временные диаграммы работы устройства представлены на фиг.3. Здесь обозначено:
1
U - напряжения на выходе генератора шума;
7
U - напряжение на выходе перестраиваемого генератора тактовых импульсов;
4
U - напряжение на выходе генератора линейно изменяющегося напряжения;
2
U- напряжение на выходе элемента выборки и хранения;
3
U - напряжение на выходе элемента сравнения;
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>8</mn><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>.1</mn></mrow></msubsup></mrow>
- напряжение на первом входе управляющего элемента;
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>6</mn><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>.1</mn></mrow></msubsup></mrow>
- напряжение на первом входе электронного ключа;
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>6</mn><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>.2</mn></mrow></msubsup></mrow>
- напряжение на втором входе электронного ключа;
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>6</mn><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow>
- напряжение на выходе управляющего элемента с фиксированным по положению тактового импульса задним фронтом;
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>8</mn><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>"</mo></mrow></msubsup></mrow>
- напряжение на выходе управляющего элемента с фиксированной на величину задержки задним фронтом импульса;
0
U - уровень компарации элемента сравнения, совпадающий с амплитудой линейно изменяющегося напряжения;
cp
U - среднее значение случайного процесса;
i
U - мгновенное значение случайного процесса;
T
τ - период следования тактовых импульсов;
з
τ- величина задержки, создаваемая регулируемой линией задержки.
1
7
i
1
2
4
3
i
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>8</mn><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>.1</mn></mrow></msubsup></mrow>
Случайный сигнал с заданным законом распределения (см. U на фиг. 3) с выхода генератора шума 2.1 (см. фиг.2) поступает на вход элемента выборки и хранения 2.2, который содержит смеситель и экстраполятор нулевого порядка. Тактовые импульсы (см. U на фиг.3), получаемые в перестраиваемом генераторе тактовых импульсов 2.7, поступают на управляющий вход элемента выборки и хранения 2.2, где «вырезаются» мгновенные значения U из случайного сигнала (см. U на фиг.3), которые затем экстраполируются (см. U на фиг.3) и поступают на первый вход элемента хранения (компаратор) 2.3, на второй вход которого подаются пилообразные импульсы с выхода генератора линейно изменяющегося напряжения 2.4 (см. U на фиг.3). Как только линейно изменяющееся напряжение превысит уровень компарации (экстраполированное напряжение), на выходе элемента сравнения выделяется импульс (см. U на фиг.3), который передним фронтом переведет управляющий элемент (RS-триггер) 2.8 во второе устойчивое состояние, при этом на его выходе появится высокий потенциал (см.
на фиг.3). Этим самым будет зафиксирован передний фронт импульса, момент появления которого случаен и определяется законом распределения исходного процесса U, которые легко пересчитываются во временные интервалы, отсчитываемые от начала координат. Положение импульсов на временной оси можно определить по следующей формуле:
<mrow><msub><mi>τ</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>T</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>1</mn></munderover><mrow><msub><mi>U</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mi>i</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>6</mn><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>.2</mn></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>8</mn><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow>
Следующий тактовый импульс, поступающий с выхода перестраиваемого генератора тактовых импульсов 2.7 через электронный ключ 2.6, открытый по управляющему сигналу «01» для его второго входа (см.
на фиг.3), поступает на вход установки в нуль управляющего элемента (RS-триггера) 2.8, который возвращает его в первое (нулевое) устойчивое состояние, при этом на его выходе появится низкий потенциал (см.
на фиг.3). Этим самым будет зафиксирован задний фронт импульса, момент появления которого фиксирован по положению тактового импульса.
з
з
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>6</mn><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>.1</mn></mrow></msubsup></mrow>
Если на управляющий вход «включение» генератора сетевого трафика поступает управляющий сигнал в двоичном коде «10», то задний фронт выходного импульса оказывается задержанным на величину τ (см. на фиг.3), а формированные импульсы будут иметь постоянную длительность. Так приτ=53 байта/V (бит/с), где 53 байта - длина ячейки ATM, а V - скорость передачи ячейки, можно имитировать технологию асинхронного режима передачи - сеть ATM (см. диаграмму
на фиг.3).
3
з
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>8</mn><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>"</mo></mrow></msubsup></mrow>
При этом по управляющему сигналу в двоичном коде «10», поступающему на управляющий вход электронного ключа 2.6, будет закрыт его второй вход и открыт первый, подключая вход установки нуля управляющего элемента (RS-триггера) к выходу регулируемой линии задержки 2.5, на вход которой поступает с выхода элемента сравнения сигнал, идентифицирующий передний фронт импульса (см. U на фиг.3). И управляющий элемент будет переходить в первое (нулевое) устойчивое состояние с задержкой τ, а на его выходе появится низкий потенциал, чем будет зафиксирован задний фронт импульса (см.
на фиг.3), момент появления которого фиксируется регулируемой линией задержки 2.5. Тем самым на выходе генератора сетевого трафика 2 будет формироваться последовательность одинаковых по длительности импульсов, но моменты появления которых случайны и определяются законом распределения исходного процесса, который формируется генератором шума 2.1.
Поскольку перестраиваемый генератор тактовых импульсов 2.7 и регулируемая линия задержки 2.5 имеют возможность настройки, а генератором шума можно задавать случайные сигналы, с основными законами распределения, то можно добиться любой длительности генерируемых сообщений, передаваемых с различной частотой следования, подчиняющихся необходимому закону распределения.
Таким образом, система может быть настроена на моделирование основных типов трафика и видов сетей, что и достигает поставленную цель и может использоваться при проектировании, испытании телекоммуникационных систем, а также в ходе обучения (настройки) узлов и модулей системы и для прогнозирования нагрузки на них без привлечения пользователей (абонентов).
Модуль идентификации 4 предназначен для формирования решения на осуществление режима коммутации каналов или режима коммутации пакетов с учетом длины передаваемого сообщения, объема загрузки буферов памяти и текущего состояния каналов. Его схема может быть реализована различным образом, например, как показано на фиг.4. При этом она включает в свой состав (см. фиг.4):
цифроаналоговый преобразователь 4.1, предназначенный для преобразования двоичного кода в напряжение;
вычислитель порога 4.2, предназначенный для вычисления значения уровня порогового напряжения для переключения режимов коммутации с учетом занятого сообщением объема памяти в модуле промежуточной памяти;
элемент сравнения 4.3, предназначенный для сравнения значений напряжений сигналов, подаваемых на его входы, и представляющий собой компаратор;
управляющий элемент 4.4, предназначенный для формирования управляющего сигнала на включение режима коммутации каналов или режима коммутации пакетов и представляющий собой RS-триггер;
электронный ключ 4.5, предназначенный для переключения режимов коммутации.
При этом выход аналого-цифрового преобразователя 4.1 подключен к первому входу элемента сравнения 4.3, второй вход которого соединен с выходом вычислителя порога 4.2, а выход является управляющим выходом «режим коммутации» модуля 4 и подключен к первому входу управляющего элемента 4.4, второй вход которого является управляющим входом «установка 0» модуля 4, а первый и второй выходы являются первым и вторым входами электронного ключа 4.5, информационный вход которого соединен с информационным входом модуля 4. Управляющие входы цифроаналогового преобразователя 4.1 и вычислителя порога 4.2 являются управляющими входами соответственно «длина сообщения» и «величина порога» модуля 4, а информационные выходы электронного ключа 4.5 являются информационными выходами «коммутация каналов» и «коммутация пакетов» модуля 4.
В качестве вычислителя порога 4.2 (см. фиг.5) может быть использованы цифроаналоговый преобразователь 4.2.1, соединенный своим входом с входом вычислителя порога 4.2, первым своим выходом подключен к первому входу напрямую, а вторым входом - через дифференцирующий элемент 4.2.2 к второму входу суммирующего усилителя 4.2.3, выход которого является выходом вычислителя порога 4.2.
В качестве электронного ключа 4.5 (см. фиг.6) могут быть использованы два логических элемента И (И1 и И2), информационные входы которых подключены к информационному входу электронного ключа модуля идентификации 4, информационные выходы «коммутация каналов» и «коммутация пакетов» - к одноименным информационным выходам электронного ключа и модуля идентификации, а управляющие первый и второй входы электронного ключа, поступающие соответственно на второй и первый логические элементы И, соединены с прямым и инверсным выходами RS-триггера управляющего элемента 4.4 модуля идентификации.
пор
пор
Заявленный модуль идентификации работает следующим образом. Если информация о длине сообщения (L) и пороговое значение (L) задаются в двоичном коде, то в примере реализации блока идентификации 4 на фиг.4 цифроаналоговые преобразователи 4.1 и 4.2.1 соответственно модуля идентификации и его вычислителя порога 4.2 (см. фиг.5) непосредственно преобразуют код в напряжения, которые сравниваются в элементе сравнения 4.3 модуля идентификации. Если же значения L и L задаются каким-либо иным кодом, то перед цифроаналоговыми преобразователями 4.1 и 4.2.1 необходимо поставить дешифраторы, преобразующие этот код в двоичный.
пор
Код, соответствующий длине передаваемого сообщения, поступает на вход цифроаналогового преобразователя 4.1 по окончании диалога, в то время как на вход цифроаналогового преобразователя 4.2.1 вычислителя порога 4.2 поступают текущие значения L, вычисляемые модулем управления 6 (см. фиг.1) в течение всего времени функционирования устройства с учетом состояния буферов памяти в модуле промежуточной памяти 3.
пор
В примере реализации функциональной схемы модуля идентификации 4, представленном на фиг.4, пороговое значение длины сообщения L может быть рассчитано в соответствии с примером, изложенным в приложении 1.
Если истинная длина сообщения, преобразованная в напряжение цифроаналоговым преобразователем 4.1 модуля идентификации 4, превысит порог
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>α</mi><msub><mi>L</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow>
,
где α - коэффициент передачи цифроаналогового преобразователя, то на выходе элемента сравнения 4.3 появится высокий потенциал, при котором управляющий элемент 4.4 (триггер) перейдет во второе устойчивое состояние и на его прямом выходе появится высокий потенциал. Первый элемент И1 электронного ключа 4.5 (см. фиг.6) закроется, а второй элемент И2 электронного ключа 4.5 откроется. Модуль идентификации 4 готов к передаче сообщения из модуля промежуточной памяти 3 в модуль сопряжения с каналами связи 5. После установления сквозного канала до адресата устройство гибридной коммутации цифровых каналов связи инициирует передачу сообщения. В противном случае, если соединение не установлено, абонент получает отказ.
пор
пор
пор
Учет динамики изменения трафика поступающих на обслуживание сообщений в схеме на фиг.4 реализован в вычислителе порога 4.2 на суммирующем усилителе (см. фиг.5), на один вход которого подается U, а на второй вход - его производная ∂U/∂t, знак которой повышает или снижает порог U в зависимости от того, увеличивается или уменьшается число занятых буферов в данный момент в модуле промежуточной памяти, изменяя тем самым соотношение между обоими режимами коммутации (см. фиг.7).
После передачи сообщения управляющий элемент 4.4 возвращается в исходное состояние, например, путем подачи сигнала "установка 0" на его R-вход из модуля управления 6 через управляющий вход «установка О».
кр
3
кр
Таким образом, согласно фиг.7, при длинных сообщениях и увеличивающемся трафике будет преобладать метод коммутации каналов и, наоборот, если в устройство 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 L. Если число занятых буферов (v) и величина b могут контролироваться в пределах данного устройства гибридной коммутации цифровых каналов связи или во всей сети в зависимости от принятого метода маршрутизации, то критическая длина сообщения (L) является проектным параметром и устанавливается на стадии проектирования конкретного устройства сети, или методом статистических испытаний в режиме обучения с использованием предложенного генератора сетевого трафика.
Исходя из примера расчета критической длины сообщения (приложение 1) и оценки эффективности заявленного способа (приложение 2), заявленный способ гибридной коммутации цифровых каналов связи, реализованный на устройстве гибридной коммутации цифровых каналов связи, генераторе сетевого трафика и модуле идентификации, позволяет при заданной стоимости передачи единицы информации осуществить выбор числа элементов буферной памяти и оптимального значения сетевого трафика, обеспечивающего минимальную среднюю задержку передачи сообщений и допустимую вероятность отказа в обслуживании поступающих от абонентов заявок, а также подтверждает целесообразность передачи длинных сообщений методом коммутации каналов, а коротких - методом коммутации пакетов, так как это не только обеспечивает сохранение масштаба времени, но и служит достижению указанных целей изобретения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мизин И.А., Богатырев В.А., Кулешов А.П. Сети коммутации пакетов / Под ред. В.С. Семенихина. - М.: Радио и связь, 1986. - 408 с.
2. Вентцель Е.С. Исследование операций. - М.: Наука, 1989. - 552 с.
3. Будко П.А. Управление ресурсами информационно-телекоммуникационных систем. Методы оптимизации. - Спб.: ВАС, 2012. - 512 с.
Приложение 1
Пример расчета критической длины сообщения
mn
пор
Выбор режима коммутации происходит путем сравнения величины длины сообщения L с пороговым значением L, которое может быть рассчитано по формуле
<mrow><msub><mtext>L</mtext><mrow><mtext>пор</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mi>L</mi><mmultiscripts><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>v</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mi>v</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mprescripts /><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow><none /></mmultiscripts><mo>+</mo><mi>β</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>v</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                       (ПП</mtext><mtext>.1</mtext><mtext>.1)</mtext></mrow>
з
пор
пор
пак
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
где v - общий объем памяти, занятый сообщением; v(t) - текущее значение занятого объема памяти; ∂U/∂t - производная по времени от занятого объема памяти; β - коэффициент пропорциональности. Данное значение L преобразуют в значение уровня напряжения
и сравнивают его с соответствующим ему предварительно вычисленным пороговым значением
. При этом общее число пакетов фиксированной длины (L), которые могут быть сформированы из сообщения длиной L, определяется соотношением
<mrow><mtext>B</mtext><mo>=</mo><mfrac><mtext>L</mtext><mrow><msub><mtext>L</mtext><mrow><mtext>пак</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≤</mo><mtext>v</mtext><mtext>,                                                                                (П</mtext><mtext>.1</mtext><mtext>.1 2)</mtext></mrow>
т.е. не должно превышать объем буферной памяти, так как, в противном случае, сообщение получает отказ или должно разбиваться на блоки.
Таким образом, критическую длину сообщения можно определить из соотношения (П.1.2):
<mrow><mtext>        </mtext><msub><mi>L</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mtext>vL</mtext></mrow><mrow><mtext>пак</mtext></mrow></msub><mtext>.                                                                                     (П</mtext><mtext>.1</mtext><mtext>.1 3) </mtext></mrow>
<mrow><msub><mtext>P</mtext><mrow><mtext>отк</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>ρ</mi><mrow><mi>v</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>ρ</mi><mrow><mi>v</mi><mo>+</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>≤</mo><msubsup><mtext>P</mtext><mrow><mtext>отк</mtext></mrow><mrow><mtext>доп</mtext></mrow></msubsup><mtext>,                                                                  (П</mtext><mtext>.1</mtext><mtext>.1 4) </mtext></mrow>
Для одноканального устройства, как системы массового обслуживания с ожиданием, вероятность получения сообщения отказа в обслуживании в соответствии с [2] равна
<mrow><msubsup><mtext>P</mtext><mrow><mtext>отк</mtext></mrow><mrow><mtext>доп</mtext></mrow></msubsup></mrow>
где ρ=λ/µ - коэффициент загрузки устройства; λ - интенсивность поступления сообщений; µ - интенсивность обслуживания;
- допустимое значение вероятности отказа в обслуживании.
отк,
Решая уравнение (П.1.4) относительно v для предельного значения Р получим
<mrow><mi>v</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>ln</mi><mi>ρ</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>к</mi></mrow><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>к</mi></mrow><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                                                    (П</mtext><mtext>.1</mtext><mtext>.5) )</mtext></mrow>
Критическая длина сообщения с учетом загрузки устройства и допустимого значения вероятности отказа равна:
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>ln</mi><mi>ρ</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>к</mi></mrow><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>к</mi></mrow><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                                  (ПП</mtext><mtext>.1</mtext><mtext>.6) </mtext></mrow>
Условие выбора критической длины сообщения (ПП. 1.6) не учитывает структуру сети, к которой принадлежит устройство гибридной коммутации и такие ее показатели, как время задержки сообщения в сети, общий трафик сети, стоимость сети и другие показатели, являющиеся исходными данными при проектировании сети.
Приложение 2
Оценка эффективности заявленного способа
Исследования, проведенные в [3 (с.259-264)], позволяют осуществить более обоснованный выбор и расчет основных вероятностно-временных характеристик и показателей сети. Минимальное среднее время задержки сообщения может быть вычислено из соотношения [3]
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>γ</mi></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mi>k</mi></mfrac><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>S</mi><mi>v</mi><mo>'</mo></mrow><mrow><mi>S</mi><mi>v</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>o</mi><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                                           (П</mtext><mtext>.2</mtext><mtext>.1) )</mtext></mrow>
зад
где γ - общий трафик; С - заданная стоимость передачи единицы количества информации; k - коэффициент пропорциональности; для полностью загруженной системы, когда ρ=1, соотношение в скобках равно
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>S</mi><mi>v</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>S</mi><mi>v</mi></msub><msub><mrow><mrow><mo stretchy="false">)</mo><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><mi>ρ</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>+</mo><mo>…</mo><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>v</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><munder><munder><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mo>…</mo><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo stretchy="true">︸</mo></munder><mrow><mi>v</mi><mo>+</mo><mn>2</mn></mrow></munder></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>v</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>v</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>v</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>v</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo><mtext>                  (П</mtext><mtext>.2</mtext><mtext>.2) )</mtext></mrow>
<mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>+</mo><mo>…</mo><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>v</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>v</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>v</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
при этом учтено, что числитель
- есть сумма арифметической прогрессии.
Тогда оптимальное значение равно
<mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>S</mi><mi>v</mi><mo>'</mo></mrow><mrow><mi>S</mi><mi>v</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>o</mi><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>v</mi></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><msubsup><mi>ρ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>п</mi><mi>т</mi></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow></mstyle></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>v</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msubsup><mi>ρ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>п</mi><mi>т</mi></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow>
Данное условие определяет оптимальное значение коэффициента загрузки устройства гибридной коммутации
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>п</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>С</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>k</mi><mi>r</mi></mrow>
,
опт
обеспечивающее минимальное значение среднего времени задержки сообщений в виде выражения (ПП.2.1). Здесь r - общее число узлов сети, влияющее на количество выходных линий. При этом 0<ρ<1. А условие (ПП.2.2) соответствует максимальному значению задержки сообщения при ρ=1, и не зависит от стоимости устройства и сети
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mi>r</mi><mi>γ</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>v</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                            (ПП</mtext><mtext>.2</mtext><mtext>.3) </mtext></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>o</mi><mi>p</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
отк
отк
Кривые зависимостей
и P=φ(ρ), построенные в соответствии с выражениями (ПП.2.1) и (ПП.1.4), приведены на совмещенном графике фиг.8 и подтверждают предположение о том, что использование в системе бесконечного числа буферов позволяет получить верхнюю границу для задержки, которую можно достичь при конечном числе элементов буферной памяти, при этом задержка в системе без буферов дает нижнюю границу для задержки большого разнообразия систем множественного доступа с буферизацией и управляемым потоком.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>1,8</mn><mi>с</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
opt
opt
Анализ полученных результатов показывает, что минимальная средняя задержка
, соответствующая ρ'=0,6 и v=∝ (точка А), может быть достигнута при более высоком трафике поступающих на обслуживание заявок (ρ″=0,78 и v=3) при ограниченном числе буферов в модуле промежуточной памяти устройства гибридной коммутации цифровых каналов связи (точка В). При этом вероятность отказа P*=0,12, что приблизительно соответствует значению ~10% и является вполне приемлемым [3].
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>к</mi></mrow><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>0,01</mn></mrow>
Аналитические расчеты подтверждают, что при ужесточении требования к вероятности отказа значение
может быть достигнуто
орt
кр
пак
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup></mrow>
при количестве буферов v=20 и коэффициенте загрузки ρ,=0,9. При этом для сложной сети, например, содержащей l=40 коммутационных узлов, и напряженном трафике γ=36 пакетов/с среднее время задержки сообщений будет равно
=7 с. В соответствии с выражением (ПП.1.6) критическая длина сообщения для заявленного устройства гибридной коммутации цифровых каналов связи будет равна L=20480 бит при длине пакета L=1024 бит.