К вопросу оценки качества обслуживания в сетях следующего поколения

К вопросу оценки качества обслуживания в сетях следующего поколения

Широкое распространение сетей следующего поколения (ССП), наметившееся в последние годы, порождает актуальную задачу оценки качества обслуживания в таких сетях. ССП представляют собой мультисервисную сеть, в которой на транспортном уровне используется единая инфраструктура на базе 1Р-сети. Следует отметить, что моделирование ССП, как единой системы, для оценки качества обслуживания затруднительно ввиду структурной Ключевые слова: сети следующего сложности системы. Предлагается выделить основные элементы сети и провести их анализ. В

поколения, качество обслуживания, данном исследовании рассматривается транспортный уровень ССП, где базовым элементом

звено сети, сети массового является звено сети, на котором производится распределение ресурсов в направлении

обслужива-ния, молвлю метод. передачи при обслуживании различных классов трафика. Проводится анализ звена ССП с

тремя классами трафика и планировщиком, работающим в режиме взвешенного алгоритма распределения ресурсов в соответствии с классом трафика. Разработана модель с использованием аппарата теории сетей массового обслуживания (СеМО) и на ее основе построен метод расчета вероятностно-временных характеристик (ВВХ) звена сети ССП. Предлагаемый приближенный метод расчета ВВХ основан на замене исходной СеМО, моделирующей звено ССП, эквивалентной ей СеМО, для которой известны точные методы расчета. Представлены результаты численных исследований предлагаемого метода.

Подольский Д.В.,

аспирант кафедры АЭС МТУСИ, dpodolski@gmail.com

Современные телекоммуникационные операторы стремятся получить конкурентные преимущества за счет расширения числа предоставляемых услуг, а также за счет повышения эффективности использования имеющихся у них сетевых ресурсов. Для решения указанных задач были разработаны стандарты, описывающие принципы построения мультисервиных сетей. Такие сети позволяют предоставлять абонентам различные виды сервисов в рамках единой сетевой инфраструктуры.

Стандарты мультисервисных сетей развивались по пути от стандартов, описывающих узкополосные цифровые сети с интеграцией служб (ЦСИС-У) к широкополосным сетям с интеграцией служб (ЦСИС-Ш). Экономические причины, связанные с внедрением принятой в ЦСИС-Ш транспортной технологии асинхронного способа передачи ATM (Asynchronous Transfer Mode), стали сдерживающим фактором по широкому распространению сетей, построенных на ее основе. Поиск альтернативных путей создания высокоскоростных мультисервисных сетей привел к появлению концепции сетей следующего поколения (ССП).

ССП — мультисервисная сеть связи, использующая единую транспортную инфраструктуру, построенную на базе IP-сети, позволяющая операторам предоставлять абонентам услуги с разнообразными требованиями к объему передаваемой информации и требованиями к ее передаче, а также эффективно использовать собственные транспортные ресурсы путем интеграции различных видов трафика.

Одним из базовых принципов построения ССП является разделение функций передачи информации, функций управления вызовами и функций управления услу-

гами. Это означает, что ССП рассматривается в виде совокупности функциональных уровней: уровня доступа, транспортного уровня, уровня управления вызовами и уровня управления услугами, каждый из которых включает в себя некоторое множество функциональных объектов.

На уровне доступа обеспечивается концентрация абонентской нагрузки и подключение к сети абонентских терминалов. Транспортный уровень в рассматриваемой структуре отвечает за сквозную передачу сообщений по сети. При этом сообщения могут нести как полезную нагрузку в виде пользовательской информации (речь, данные, видео), так и служебную информацию (сигнальные сообщения, сообщения протоколов маршрутизации и др.). На этом уровне также организуется сопряжение с внешними сетями. Уровень управления вызовами выполняет задачи по управлению соединениями, обеспечивая формирование, передачу и обработку сигнальной информации. Уровень управления услугами обеспечивает обработку пользовательских запросов в соответствии с логикой, определяемой тем или иным сервисом. На рис. 1 представлена структура ССП на примере мобильной сети связи.

Принимая во внимание наметившиеся в последние годы активные процессы по внедрению ССП ведущими операторами, актуальными становятся вопросы обеспечения и оценки качества обслуживания в таких сетях. Так как ССП является сложным структурным объектом, то для целей анализа предлагается применить к нему принцип декомпозиции, который заключается в разделении исходного объекта на элементы и дальнейшем анализе этих элементов. Используя полученные характеристики элементов ССП, можно затем перейти к совокупным сетевым характеристикам.

Заметим, что транспортный уровень в рассматриваемой модели ССП вносит значительный вклад в характеристики сети и, следовательно, значительно влияет на показатели качества обслуживания, т.к. через него происходит основной информационный обмен, как между

Уровень управления услугами

Контроллер Медиа-шлюзов

Медиа-Шлюз

Модиа-Шлюз

Сеть доступа

Сеть доступа

Рис. I. Сеть следующего поколения

абонентами сети, так и между различными сетевыми элементами. Поэтому далее предлагается более детально рассмотреть данный уровень ССП.

Транспортный уровень ССП включает в себя маршрутизаторы, Медиа-шлюзы и каналы передачи. Как было отмечено выше, для передачи трафика в ССП используется 1Р-сеть. Медиа-шлюзы выступают в качестве пограничных узлов транспортного уровня ССП, преобразуя поступающий из сети доступа абонентский трафик в формат, требуемый для передачи по 1Р-сети. Выбор маршрута и очередности доставки пакетов в этой сети определяются маршрутизаторами и могут быть различными для разных видов трафика.

В общем случае маршрутизатор может иметь более одного исходящего порта, однако все исходящие порты при этом управляются независимо друг от друга [1]. Поэтому для упрощения дальнейших выкладок будем рассматривать, без потери обобщения, один исходящий порт маршрутизатора. Это позволяет выделить на транспортном уровне ССП элемент, который можно рассматривать независимо от других элементов. Таким элементом будет являться звено сети, под которым будем понимать совокупность средств, определяющих направление передачи информации от одного узла сети к другому. В данном случае это будет направление передачи от одного маршрутизатора к другому (рис. 1).

В едином информационном канале ССП передается трафик разных видов, включая речевой трафик, трафик данных и видео. Для обеспечения заданного качества обслуживания различных видов трафика в ССП должны присутствовать соответствующие механизмы, которые определяют вид поступающего от источника графика и обеспечивают качество обслуживания в соответствии с видом трафика. Это означает, что на ССП должны быть выполнены задачи по классификации трафика и по распределению имеющихся сетевых ресурсов между видами трафика. Рассмотрим далее, какие виды трафика и виды обслуживания присутствуют на ССП.

В ССП можно выделить следующие три вида трафика. Первым видом трафика ССП является потоковый

трафик. Это трафик, не допускающий задержки в обслуживании, т.е. требующий немедленной передачи пакетов. Для этого вида трафика критичны та-

кие параметры, как: низкая задержка передачи пакетов, низкая вариация за-

держки и малая вероятность потери пакетов. Данный вид трафика характерен для сервисов передачи речевой ин-

формации и передачи видео. Вторым видом трафика в ССП является эла-

стичный трафик, при обслуживании которого требуется гарантированное качество обслуживания. Такой вид трафика создают многие ТСР-приложения. Наконец, третьим видом трафика ССП является эластичный трафик, при обслуживании которого приемлемым является максимально доступное на данный момент качество обслуживания. К этому типу трафика можно отнести трафик, формируемый такими сервисами, как электронная почта (E-mail) и служба передачи данных FTP (File Transfer Protocol).

Виды обслуживания трафика на сети зависят от используемых механизмов обеспечения качества обслуживания, наиболее распространенным из которых в ССП является механизм дифференцированного обслуживания DiffServ. В соответствии с этим механизмом на сети предполагается наличие небольшого числа видов обслуживания, согласно которым обрабатывается весь сетевой трафик. Пользовательский трафик классифицируется на границе сети. Каждому виду трафика присваивается код обслуживания DSCP (DiffServ Code Point), согласно которому происходит обработка трафика на внутренних узлах сети. Правила обслуживания трафика на промежуточных узлах определяются политиками пошаговой обработки РНВ (Per-Нор Behavior).

Механизм DiffServ включает в себя следующие РНВ-политики:

- негарантированная доставка BE (Best Effort). Согласно данной политике обслуживаются сервисы, не требующие гарантий по времени доставки сообщений. Этой РНВ-политике можно привести в соответствие эластичный график, передаваемый с максимально доступным качеством обслуживания;

- гарантированная доставка AF (Assured Forwarding) обеспечивает обслуживание эластичного трафика, требующего гарантированного качества доставки пакетов;

- срочная доставка EF (Expedited Forwarding) используется для обслуживания трафика, требованиями которого являются низкий уровень потерь пакетов, малая задержка, незначительная вариация задержки, т.е. для потокового трафика.

Входящие

пакеты

Моток ЛИ

I 11

I Iotok .N«2

Поток №N

Класснфнкатр

Класс Xel

1 В

Класс №2

1

Класс X"R *

Планировщик Исходящий nopt

11

- НИ

S 2s 2

Рис. 2. Структурная схема звена ССП

Таким образом, на звене ССП должно происходить определение вида поступающих пакетов и распределение ресурсов в соответствии с назначенными политиками. За распределение ресурсов на звене ССП отвечает модуль планировщик, который может работать по различным алгоритмам. Обслуживание трафика на звене ССП происходит следующим образом. Пакеты, поступая на вход звена сети, попадают в классификатор, который анализирует заголовки пакетов и распределяет их по очередям в зависимости от вида трафика. Далее осуществляется распределение ресурсов звена в исходящем направлении между различными видами трафика согласно алгоритму резервирования ресурсов в планировщике. Структурная схема звена ССП показана на рис. 2.

Алгоритмы работы планировщика, позволяющие обеспечить качество обслуживания, включают в себя две большие группы. Это алгоритмы, в которых очереди организуются в соответствии с абсолютными приоритетами PQ (Priority Queuing), и алгоритмы, в которых используется механизм “справедливого” распределения ресурсов FQ (Fair Queuing). Главный недостаток PQ планировщиков заключается в возможности возникновения “голода” для низкоприоритетных пакетов. Это означает, что если в систему будут непрерывно поступать высокоприоритетные пакеты, низкоприоритетные пакеты не смогут получить обслуживание. В FQ алгоритмах реализован принцип, по которому в соответствии с некоторой стратегией происходит выборка пакетов из разных очередей, поэтому FQ планировщики лишены описанного недостатка PQ планировщиков.

К фуппе FQ планировщиков относится планировщики с алгоритмом взвешенного “справедливого” распределения ресурсов на основе класса трафика CB-WFQ (Class Based Weighted Fair Queuing), согласно которому для каждого вида трафика назначается минимальнодоступная полоса пропускания [2]. Рассмотрим далее звено ССП с CB-WFQ планировщиком.

Для того, чтобы получить вероятностно-временные характеристики (ВВХ) системы, влияющие на показатели качества обслуживания, предлагается построить соответствующую ей аналитическую модель, используя аппарат теории массового обслуживания. Представим звено ССП в виде сети массового обслуживания (СеМО). Тогда модель рассматриваемой системы будет иметь вид, показанный на рис. 3.

Планировщик, работающий в соответствии с CB-WFQ алгоритмом, описывается СМО с дисциплиной обслуживания обобщенного разделения процессора GPS (General Processor Sharing) [3]. Для такого типа СМО непосредственное применение стандартных методов анализа, основанных на предположении о выполнении условия мультипликативности, невозможно [4].

Также следует отметить, что для СеМО с узлами, функционирующими в соответствии с дисциплиной обслуживания GPS, было получено аналитическое решение только для случая с 2-я классами заявок и узлов M/M/1/oo. Для сетей с GPS узлами и 3-мя классами заявок были получены только отдельные частные результаты [4].

Учитывая указанные выше факторы, для нахождения ВВХ системы предлагается использовать приближенные методы расчета. В данном исследовании предлагается использовать метод замены эквивалентной мультипликативной СеМО. Указанный метод предполагает переход от немультипликативной СеМО к мультипликативной с последующим расчетом характеристик СеМО одним из известных методов, применяемых для мультипликативных СеМО [5]. В качестве такого метода предлагается использовать метод средних значений MVA (Mean Value Analysis).

Для перехода к эквивалентной мультипликативной СеМО вначале перейдем от исходной открытой СеМО к закрытой СеМО. Для этого заменим источник с пуассо-новским потоком заявок на эквивалентный ему узел M/G/1/oo. Тогда после преобразования СеМО будет иметь вид, показанный на рис. 4.

Параметры эквивалентного узла будут определяться интенсивностью обслуживания juxr = R-AVr, r = \,R

(где R — число классов, Хог - интенсивность поступления заявок / -ого класса для открытой сети), коэффициентом вариации Св» времени обслуживания заявок равного коэффициенту вариации промежутков поступления заявок для открытой сети и коэффициентом передачи узла

exr = 1, где г = 1, R [5].

После перехода к закрытой СеМО возможно выполнить преобразование узла планировщика. Для этого воспользуемся методом эквивалентных узлов, основная идея которого заключается в декомпозиции узлов, работающих по дисциплине обслуживания с приоритетами, на R параллельных узлов по числу обслуживаемых классов заявок [5]. При этом необходимо выполнить пересчет среднего времени обслуживания заявок для

Классификатор

Планировщик

M/M/1/oo FCFS

-I M/G/1/°°GPS

Рис.З. СеМО модель звена ССП

эквивалентных узлов. Указанная задача выполняется итеративным увеличением среднего времени обслуживания для каждого класса заявок в эквивалентных узлах но сравнению с исходным узлом, до тех пор, пока разница между значениями параметра в двух соседних итерациях не станет меньше некоторого заданного уровня с.

Планировщик

Классификатор

—тпо

ЕШ-

!-а

Сеть

III

о

III

Классификатор

Сеть

I I I О—| » і і і Ю— Планировщик

«  » ^ 111Ю—I

ос

Рис.5. Ретулынруюив» СсМО модель звена ССП

Метод нахождения значений среднего времени обслуживания я,-г для эквивалентных узлов следующий. Вначале производится расчет исходной производительности эквивалентного узла Л: г методом средних значений. Далее производится расчет исходной нагрузки узла, используя выражение р, г = Л, г • .V, г • Затем, используя

полученные значения Д/г и р!г, производится пересчет среднего времени обслуживания эквивалентных узлов 5. . После чего производится пересчет производительности узла /I , используя метод средних значений. Если для всех эквивалентных узлов удовлетворяется условие |д -X |<е» то пересчет у<г завершается и

далее производится расчет ВВХ системы методом средних значений, используя полученные значения Я, г.

Иначе производится следующая итерация расчетов.

Среднее время обслуживания заявки /-ого класса в /ом узле будет, согласно методу эквивалентных узлов, определяться выражением [5]:

*і,г

1-і

(О.

г,к

ГГ

к*г

Ры

і.к

Рис.4. Модель звена ССП после перехода к закрытой СсМО

Для обозначения доли обслуживания доступной Атому классу заявок, зададим параметр РЮк таким образом, что:

РМ -ІІ-,

А.*

где: Цк - квота к-ого класса заявок, /9( к = Я( к • Л', к -нагрузка /-ого узла для £-ого класса заявок, X, к — производительность /-ого узла для к-ого класса заявок, хі,к = Уі к ~ среднее время обслуживания /-ого узла

для /г-ого класса заявок, /лі к - интенсивность обслуживания /-ого узла для к-ого класса заявок

Таким образом, в результате описанных преобразований был произведен переход от исходной немультипликативной СеМО к эквивалентной мультипликативной СеМО. Результирующая СеМО представлена на рис. 5. Далее определим среднее время обслуживания заявок эквивалентных узлов, полученных после преобразования узла планировщика.

гдеЛ’( г - исходное среднее время обслуживания заявки

/•-ого класса в /'-ом узле исходной сети, Я - количество классов заявок (для рассматриваемого случая /? = 3).

Весовой коэффициент й г к определяет, в какой степени заявки 7-ого класса влияют на заявки / -ого класса:

~

(О. =------------7.

• РЮ: + РЮ;

Коэффициент Ц і г определяется из выражения:

г?

/•)[!- IV)]2 + /З

где: /3(г) = ^‘ г

к~ у»,л

к*г

К.к - — * А,г=ІЛ>.

5;.

0(г) = ХД.* . &(г) = #{г) + р,г.

*=і

к*г

Г,< А,),мс

Рис. 6. Зависимости

Г,(Л,). 7,(4,,) и ТМ

На рис. 6 представлены зависимости Т, (Ат), Г, (Л„2) и Г,(Я,,.) среднего времени обслуживания на звене ССП пакетов 1-ого, 2-ого и 3-его видов трафика, соответственно, от интенсивности Л01 поступления пакетов 1ого вида при постоянных значениях интенсивности поступления пакетов второго и третьего вида и при заданных значениях квот на обслуживание с/, = 0,6, <у, = 0,3 и (у, = 0,1, полученные и использованием приведенного выше метода.

Таким образом, в данной работе были рассмотрены модель и метод расчета ВВХ звена сети следующего поколения с планировщиком, работающим в соответствии с алгоритмом взвешенного “справедливого” распределения ресурсов на основе класса трафика СВ-

WFQ. Используя полученный метод расчета, были найдены зависимости среднего времени обслуживания пакетов для трех видов трафика при заданных квотах на обслуживание.

Литература:

1. Francis Cottet, Joelle Delacroix, Claude Kaiser, Zoubir Mammeri. Scheduling in real-time systems. John Wiley & Sons, 2002.-282 p.

2. Faye/. Gebali. Analysis of Computer and Communication Networks. Springer Publishing Company, Incorporated. 2008,672 p.

3. S. Floyd and V. Jacobson, Link-sharing and resource management models for packet networks, IEEE/ACM Transactions on Networking. - Vol.3. - 1995. - P.365-386.

4. M. van IJitert. Generalized Processor Sharing Queues. Ponsen&Looijen BV, 2003. - 231 p.

5. St. Greiner, G. Bolch, K. Begain, A Generalized Analysis Technique for Queueing Networks with Mixed Priority Strategy and Class Switching. Computer Communications Volume 21, Issue 9, 1 July 1998.-P.819-832.

ASPECTS OF QUALITY OF SERVICE EVALUATION IN NEXT GENERATION NETWORKS Podolskiy D.V., dpodolski@gmail.com.

Abstract: Wide spreading of Next Generation Networks (NGN) during last few years causes actual problem of Quality of Service (QoS) evaluation in such networks. NGN is a multiservice network in which common transport infrastructure based on IP-network is used. It should be mentioned that modeling of NGN as a whole system for the purpose of QoS evaluation is difficult because of structural complexity of the system. So it is proposed to distinguish main elements of the network and analyze them. In this article transport layer of NGN is examined. Main element of this layer is network link, where distribution of network resources in the transmitting direction while serving traffic of different classes is performed. Analysis of NGN network link with three traffic classes and scheduler working in class based weighted fair queuing mode is performed. Model using queuing networks mathematical apparatus is developed. On the basis of the model method of calculation of productivity of NGN network link has been built. Described approximate method of calculation of productivity characteristics is based on substitution of initial queuing network, which models network link, by equivalent queuing network for which exact calculation methods are known. Evaluation results of productivity parameters are shown is given.

Keywords: next generation networks, quality of service, network link, queuing networks, model, method.