Способ обеспечения качества обслуживания разнородного трафика в узлах коммутации мультисервисных сетей связи на основе динамических приоритетов

Способ обеспечения качества обслуживания разнородного трафика в узлах коммутации мультисервисных сетей связи на основе динамических приоритетов

Ключевые слова: сети связи следующего поколения; качество обслуживания; системы массового обслуживания; относительные и динамические приоритеты.

При проектировании, вводе в эксплуатацию и непосредственной эксплуатации мультисервисных сетей связи одной из основных проблем является задача обеспечения качества обслуживания разнородного трафика (заданных уровней задержек, джиттера задержек и потерь). Одним из методов обеспечения качества обслуживания разнородного трафика является использование системы обслуживания с приоритетами. При этом система обслуживания на основе фиксированных приоритетов обладает существенным недостатком. Данная система не исключает возможности дискриминации низкоприоритетного трафика. В узлах коммутации мультисервисных сетей используются дисциплины обслуживания с динамическими приоритетами. Аналитические модели систем обслуживания с фиксированными приоритетами достаточно хорошо проработаны в отличие от моделей систем обслуживания с динамическими приоритетами. В статье рассмотрены аналитические модели систем обслуживания с фиксированными приоритетами и представлены разработанные модели систем обслуживания с динамическими приоритетами. На основе данных моделей произведен анализ показателей качества функционирования узлов коммутации мультисервисных сетей связи. В статье пред-ставлен разработанный способ обеспечения качества обслуживания разнородного трафика в узлах коммутации мультисервисных сетей связи на основе динамических приоритетов. Представленный способ позволяет повысить эффективность функционирования узлов коммутации мультисервисных сетей связи при передаче разнородного трафика с различными требованиями к качеству обслуживания.

Сычев К.И.,

Начальник отдела НИИИ Академии ФСО России, sychev-k@mail.ru

Умнов А.Е.,

Научный сотрудник НИИИ Академии ФСО России, uma282@mail.ru

Введение

В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений развития телекоммуникационных сетей является построение мультисервисных сетей связи (МСС). Их основная задача заключается в обеспечении сосуществования и взаимодействия разнородных коммуникационных подсистем в единой транспортной среде.

При проектировании, запуске и эксплуатации МСС одной из основных проблем является задача обеспечения качества обслуживания (QoS - Quality of Service) (заданных уровней задержек, потерь и пр.) при обработке потока данных - трафика, являющегося следствием информационного обмена между системами. При расчете показателей качества обслуживания необходимо адекватно учитывать реальный характер трафика.

Трафик МСС разнородный, с различными требованиями к качеству обслуживания. Его нельзя моделировать одним суммарным потоком с суммарной

интенсивностью, его надо рассматривать как многомерный с индивидуальными характеристиками, что соответствует применяемым в сетевых протоколах механизмах обеспечения качества обслуживания. При этом классам качества соответствуют приоритеты по задержкам и потерям пакетов. Следовательно, от одномерного описания трафика необходимо перейти к многомерному по видам услуг [1].

При этом последние исследования различных типов сетевого трафика убедительно доказывают, что сетевой трафик является самоподобным или фрактальным по своей природе, т.е. в нем присутствуют так называемые вспышки или пачки пакетов, наблюдаемые в различных временных интервалах (от миллисекунд до минут или даже часов) [2, 3]. Из этого следует, что широко используемые в настоящее время методы моделирования и расчета сетевых систем, основанные на традиционных предположениях, не дают адекватной картины происходящего в сети.

Прогресс в развитии сетей передачи данных проявляется, в частности, в развитии инфраструктуры сетей, повышении производительности каналов для передачи и узлов коммутации для обработки информации. Однако даже возросшие в последнее время пропускные способности каналов и производительности узлов могут оказаться недостаточными для устранения негативных последствий перегрузок из-за дальнейшего возрастания объёмов трафика, его сложности, появления новых услуг и повышения требований к качеству передачи информации [4].

Методы обеспечения качества обслуживания направлены на компенсацию негативных последствий перегрузок, возникающих в сетях с коммутаци-

ей пакетов. Одним из методов обеспечения качества обслуживания является выбор дисциплины обслуживания. Дисциплина обслуживания (ДО) - это метод QoS, заключающийся в определенном порядке обслуживания находящихся в очереди и вновь поступающих пакетов. Огличительной особенностью данного метода обеспечения качества обслуживания является то, что он используется тогда, когда трафик уже поступил на УК [4].

В МСС, для передачи разнородного трафика с требуемым качеством необходимо вводить систему относительных приоритетов. Наибольшее распространение получила дисциплина обслуживания с относительными фиксированными приоритетами (ФП), потому что она не допускает прерывания обслуживания, эффективна в условиях ограниченной пропускной способности, а также отличается высоким быстродействием и простотой реализации. Однако ДО с фиксированными приоритетами не исключает возможности дискриминации низкоприоритетного трафика, что является существенным недостатком данных систем обслуживания [4].

Использование ДО с динамическими приоритетами (ДП) исключает дискриминацию низкоприоритетного трафика, но реализация данной ДО требует выделения дополнительных вычислительных ресурсов узла коммутации (УК). Также ДО с динамическими приоритетами без механизма автоматической адаптации к изменяющимся сетевым условиям может привести к существенному ухудшению показателей качества обслуживания и выходу их за установленные пределы. При этом необходимо отметить, что аналитические модели систем обслуживания с относительными ФП достаточно хорошо проработаны [5,6], в отличии от моделей систем обслуживания с относительными ДП [5].

В данной статье рассмотрены аналитические модели систем обслуживания с ФП и представлены разработанные модели систем обслуживания с ДП. На основе данных моделей произведен анализ показателей качества функционирования УК МСС. В заключении представлен разработанный способ обеспечения качества обслуживания в УК МСС на основе динамических приоритетов, который позволяет повысить эффективность функционирования УК при передаче разнородного трафика с различными требованиями к качеству обслуживания.

1. Аналитическая модель УК типа МJ М/1/°° с относительными фиксированными приоритетами

Исследование процессов функционирования УК МСС начнём с анализа классических моделей теории очередей с простейшими потоками, относительными фиксированными приоритетами. Это обусловлено фундаментальностью получаемых для них результатов и, как следствие, возможностью распространения на более общие модели УК [1].

а) Среднее время ожидания обслуживания пакетов r-го приоритета для УК типа А/,. IМ /\/°° определяется согласно выражению [1,5]:

PR

Г МЬ-РгМ-РгУ

где рг = Лг/ ¡и - суммарная нагрузка обслуживающего прибора пакетами приоритета не выше г; Аг -суммарная интенсивность поступления в УК пакетов приоритета, не превышающего г; Ак - суммарная интенсивность поступления пакетов; р — интенсивность обслуживания пакетов.

б) Средняя длина очереди пакетов л-го приоритета

в УК типа Мг/М/1/°° можно определить двумя способами (на основе распределения вероятностей состояний и формулы Литтла) [1,6]:

\ЬГ, г= I

I Lr - Lr_{, r = 2,R

— . Lr=^m-Pm+l(r),

где Рт(г) - распределение вероятностей состояний для УК типа Мг/М/\/°° [1].

Использование распределения вероятностей состояний, для случая г = 2, Я, определяет среднюю длину очереди г-го приоритета как разность между средней длиной очереди в УК с суммарной входящей нагрузкой рг и средней длиной очереди в УК с суммарной нагрузкой ргЛ. Использование формулы Литтла 1Г=ЯГ- и',, служит для контроля вычислений.

в) Вероятность превышения заданного объёма буфера К для УК типа МГ1М1 М°° согласно свойству эквивалентности систем с конечным и бесконечным буфером при малых нормах потерь принимается за вероятность потери пакетов и рассчитывается на основе распределения вероятности состояний как веро-

ятность PK+i

Рк+ЛГ) = Рк Ь-Рг) Р?> Pr< 1-

2. Аналитическая модель УК типа СГЮ/\/°° с относительными фиксированными приоритетами

Для получения аналитических зависимостей показателей качества функционирования для более общих

моделей УК (5г/С/1/оо используется метод, предложенный в [1]. Данный метод основан на:

- результатах для "классических" УК типа

Мг/М/1/оо-

- приближенном методе второго порядка — методе диффузионной аппроксимации;

- методе инвариантов для приоритетных СМО -"законе сохранения накопленной в очереди работы".

а) Средняя длина очереди пакетов г-го приоритета в УК типа Сг/а 1/°° определяется выражением:

К. г = \

l'~\i , —, Lr=Arw’r-

\Lr ~Lr_x, г = 2,R

С1 +С2

* а,г т Л.г

где и’’ - среднее время ожидания обслуживания с УК с суммарной входящей нагрузкой рг (без учета приоритетов) [1]; 0 < рл < 1 - условие области определе-

ния метода диффузионной аппроксимации, обеспечивающее получение стационарных характеристик функционирования УК; С2иг — квадратичный коэффициент вариации времени поступления пакетов объединенного потока приоритета не выше г ( \,г ), определяемый с учетом закона сложения случайных величин, СЬг — квадратичный коэффициент вариации

времени обслуживания пакетов.

б) Выражение (4) позволяет на основании формулы Литтла определить среднее время ожидания обслуживания пакетов г-го приоритета в для УК типа,

GJG/1/oo ;

!..

W. =

В результате соответствующей подстановки квадратичного коэффициента вариации распределения

времени поступления пакетов (С]г = СА2Г = 1 для экспоненциального распределения времени поступления и обслуживания) решения (4) и (5) сходятся к точным решениям (2) и (1) соответственно. Это говорит о том, что полученные решения (4) и (5) согласуются с точными решениями для классических моделей теории очередей с простейшими потоками и относительными фиксированными приоритетами (2) и (1).

в) Вероятность превышения заданного объёма буфера (принимаемая за вероятность потери пакетов г-

го приоритета) для УК типа Gr / G /1 /<*> может быть определена выражением [5]:

Рк*\

' 2 (1 -о) л

где р, = ехр

Н-Рг) С Рг +СІ

3. Подобие систем обслуживания с фиксированными и динамическими приоритетами

В работе [5] представлена обобщенная формула среднего времени ожидания обслуживания пакетами г-го приоритета для ДО 5-порядка для УК типа

М.ІМІ 1/«>:

1-

1 л

О

ч

І-ІЛ

l-

Ь,

где Ьг - коэффициент, определяющий скорость нарастания приоритета для пакетов соответствующих классов обслуживания (А, > Ь2 >... > Ьг > 0).

Полученная формула (8) представляет собой главный результат анализа ДО 5-порядка с приоритетами. При 5—0 получаем систему с ДО в порядке приоритетов, не изменяющихся во времени - ФП. При 5=/ имеем систему с приоритетами, линейно изменяю-

щимися во времени (ДП). При 5 — <* получаем систему обслуживания в порядке поступления (FIFO).

Таким образом, ДО с динамическими приоритетами является наиболее общей и включает в себя класс обслуживания с относительными фиксированными приоритетами. Согласно третьей теоремы подобия [7], соблюдены все условия подобия систем обслуживания с ФП и ДП, а именно:

1. В системах происходят качественно одинаковые процессы (выполнение условий однозначности);

2. Критерии подобия для сопоставляемых явлений попарно равны.

В контексте исследований процессов функционирования УК МСС константы (коэффициенты) подобия определяются как [7]:

с, -

W

ли

ct =

и>Г

Lf

с

л»

Рк>)

с. =

Вследствие того, что рассматриваемые показатели качества функционирования УК, такие как и Рк+1(г), связаны между собой линейной зависимостью (2), имеем право записать:

с*=с;*- он

Для системы обслуживания динамическими приоритетами невозможно получить выражения для всех рассматриваемых показателей качества обслуживания. Однако, применяя теорию подобия, можно получить искомые аналитические выражения для показателей качества функционирования исследуемых УК.

4. Модель УК типа Мг/М/\/°° с относительными

динамическими приоритетами

а) Среднее время ожидания обслуживания пакетов

г-го приоритета в УК типа Мг/М/\/°° с динамическими приоритетами вычисляется в результате решения следующей системы уравнений:

И" =

л R 0 -рк)р 1~- ч

л-1 ( А \

б) Средняя длина очереди пакетов г-го приоритета рассчитывается по формуле Литтла:

/глп = у^плг,

в) Вероятность превышения заданного объёма буфера К (принимается за вероятность потерь):

Р?"

Рк>)

Г%

- коэффициент (константа) подо-

бия систем обслуживания (при фиксированных значениях рг); Р™(г) — вероятность превышения заданного объема буфера для УК типа Мг! М /1 / °° с ФП.

6. Способ обеспечения качества обслуживания

Сущность предлагаемого способа обеспечения качества обслуживания в УК МСС заключается в управлении дисциплиной обслуживания в зависимости от поступающей нагрузки пакетов различных приоритетных классов, а также требований, предъявляемых к качеству их обслуживания.

Для этого в УК необходимо управление, которое будет выполнять следующие основные функции:

- периодический контроль основных показателей качества обслуживания (задержки, потери пакетов различных приоритетных классов);

- автоматическое принятие решения на изменение дисциплины обслуживания в зависимости от поступающей нагрузки в УК и соответствия показателей качества обслуживания установленным нормам;

- периодический перерасчет управляющей переменной (Д.+1 / Ьг)' ' за счет изменения параметров ¿>Г+1,ЛГ,5, что приводит к регулированию отношения коэффициентов изменения приоритетных функций (8) с целью поддержания показателей качества функционирования в пределах установленных норм.

На рис. 1 показан принцип управления дисциплиной обслуживания на основе зависимости среднего времени

задержки пакетов в УК: (г = ыг+11~' от загрузки.

Поступающий на вход УК МСС трафик можно разделить на две части: трафик, чувствительный к задержкам и трафик (непрерывный), не чувствительный к задержкам (эластичный). Следовательно, весь трафик можно разделить на два приоритетных класса Я = 2.

^пр.г д

Рис. 1. Принцип управления дисциплиной обслуживания в зависимости от величины задержки пакетов в УК

5. Модель УК типа ОгЮ1\1<*> с дисциплиной обслуживания на основе ДП

В соответствии с методом диффузионной аппроксимации и "законом сохранения накопленной в очереди работы" среднюю длину очереди с суммарной

входящей нагрузкой рг для УК (7г/С/1/°° на основе ДО с динамическими приоритетами можно вычислить на основании формулы [1]:

/Дп _ ,дп

I.- ,

С +С

а.г ^

где — средняя длина очереди с суммарной входящей нагрузкой рг для УК Мг /М/\/°° с простейшим входящим потоком на основе ДО с динамическими приоритетами.

а) Средняя длина очереди пакетов г-го приоритета

в УК СГЮ1\1°° определяется выражением:

[¿дп г = 1 /ДП _ I < ’ ’

[¿?п-1?_п„г = 2^.

б) На основании формулы Литтла среднее время ожидания обслуживания пакетов г-го приоритета:

/ДП

иД1

г л

в) Вероятность превышения заданного объёма буфера К рассчитывается согласно методам теории подобия аналогично (14).

Пусть задержка пакетов непрерывного трафика (первого приоритета) в УК не должна превышать требуемое значение / , (/, : / ,), а задержка пакетов

эластичного трафика /2 (второго приоритета) не должна превышать / 2 (/2; / .).

Тогда в условиях малых нагрузок рн < р в узле коммутации дисциплина обслуживания с фиксированными приоритетами удовлетворяет всем требованиям по качеству обслуживания потоков всех приоритетов. Параметры управления имеют следующие значения: 5— 0, = ¿,,¿»2 - неактивны.

При загрузке рл УК большей, чем р (р < рк< р’) возникает ситуация /2 > /тр2. Следовательно, необходим переход от ДО с фиксированными приоритетами к ДО с динамическими приоритетами, что позволит при выполнении требований качества обслуживания трафика первого приоритета, избежать блокировки передачи трафика второго приоритета.

На основе полученных результатов текущего контроля производится перерасчет параметров управления ¿>|,62,5 = 1, устанавливающий поступающим в УК пакетам каждого приоритета соответствующие коэффициенты изменения приоритетных функций ¿>, и ¿>, (¿^/¿>,). В результате при дальнейшем росте нагрузки в УК р' < рк < р" в результате периодически осуществляемых управлений ДО на основе ДП (рисунок 1) средняя задержка пакетов эластичного трафика фиксируется и соответствует предъявляемым требованиям (/2 = Аф2 )• При этом возрастает /,, но : /тр1.

При возрастании нагрузки в УК (рк> р") производится перерасчет параметров управления ¿>,,¿>,,5 = 1 с целью не допустить выхода за пределы норм среднего времени пребывания пакетов первого (г = 1) приоритета (рисунок 1), : /тр1, но при этом возрастает

задержка пакетов для эластичного трафика (г = 2).

При дальнейшем возрастании нагрузки в УК возможно полное вытеснение потока эластичного трафика, что в данных условиях является вынужденной мерой с целью обеспечить обслуживание наиболее важных и критичных к задержкам соединений непрерывного трафика.

Заключение

С целью соблюдения требований качества обслуживания разнородного трафика в условиях изменения интенсивности его поступления при ограниченных сетевых ресурсов предложен способ обеспечения качества обслуживания в УК МСС на основе дисциплины обслуживания с относительными фиксированными и динамическими приоритетами. Сущность предлагаемого способа заключается в постоянном контроле условий функционирования УК и управлении дисциплиной обслуживания в зависимости от результатов данного контроля. В результате обеспечивается приоритетное обслуживание трафика различных классов качества и исключается возможность блокировки (вытеснения) неприоритетного трафика, при этом управление осуществляется автоматически (без участия администратора УК) на основе текущей загруженности УК.

Литература

1. Сычев К.И. Модели и методы исследования процессов функционирования и оптимизации построения сетей связи следующего поколения (Next Génération Network) / Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. -М.: 2009.-378с.

2. Leland W.E., Taqqu М.S., Willinger W., and Wilson D.V. On the self-similar nature of ethemet traffic // 1EEE/ACM Transactions of Networking, 2(1), 1994. P.1-15.

3. Шелухин О.И., Тенякшев A.М., Ociiii A.B. Фрактальные процессы в телекоммуникациях. Монография / Под ред. О.И. Шелухина. - М.: Радиотехника, 2003. - 480 с.Бронштейн О.И., Духовный И.М. Модели приоритетного обслуживания в информационно-вычислительных системах. - М.: Наука, 1976.-220 с.

4. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы (4-е издание), СПб.: Питер, 2010. - 943 с.

5. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. - М.: Мир, 1979. - 600 с.

6. Бочаров П.П. Теория массового обслуживания / П.П. Бочаров, А.В. Печинкин. - М.: Изд-во РУДН, 1995. -529 с.

7. Гухман А.А. Введение в теорию подобия. - М.: Высшая школа, 1973. - 295 с.

METHOD OF QUALITY ASSURANCE OF SERVICE OF THE HETEROGENEOUS TRAFFIC IN SWITCHING NODES OF NEXT GENERATION

NETWORKS ON THE BASIS OF DYNAMIC PRIORITIES

Sychev K.I., Umnov A.E. The Academy of the Federal Guard Service of the Russian Federation.

Abstract: At designing, commissioning and immediate maintenance of next generation net-works of one of the main problems the task of quality assurance of service of the heterogeneous traffic (the given levels of time delays, jitter of time delays and losses) is. One of methods of quality assurance of servce of the heterogeneous traffic is usage of service system with priorities. Thus the service system on the basis of the fixed priorities has essential disadvantage. The given system doesn't eliminate possibility of discrimination of the background traffic. In switching nodes of next generation networks service disciplines with dynamic priorities are used. Analytical models of service systems with the fixed priorities are worked well enough unlike the models of systems of service with dynamic priorities. In the article analytical models of service systems with the fixed priorities are considered and the developed models of service systems with dynamic priorities are presented. On the basis of the given models the analysis of quality characteristics of functioning of switching nodes of next generation networks is produced. In the article the developed method of quality assurance of service of the heterogeneous traffic in switching nodes of next generation networks on the basis of dynamic priorities is presented. The presented method allows to raise efficiency of functioning of switching nodes of next generation networks by transmission of the heterogeneous traffic with various quality requirements of service.

Keywords: next generation network; quality of service; queuing systems; relative and dynamic priorities.