ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ - сетей доступа и оценка создаваемого трафика
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Проводная связь
ПРОПУСКНАЯ
СПОСОБНОСТЬ
сетей доступа и оценка
создаваемого трафика
В.Зайцев, аспирант СПбГУТ / zaitsev_v@protei.ru,
Н.Соколов, д.т.н., директор по науке ООО "ПРОТЕЙ СТ"
УДК 621.391, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.89.4.64.68
Обсуждаются тенденция продолжающегося роста пропускной способности в процессе модерниза-
ции сетей доступа и задача оценки трафика, создаваемого пользователями. Соотношение между
величиной создаваемого трафика и необходимой пропускной способностью элементов телеком-
муникационной системы, которая обеспечивает заданные показатели качества предоставления
услуг, было хорошо изучено в эпоху доминирования телеграфии и телефонии. По мере включения
данных и видео в состав нагрузки телекоммуникационных сетей, поддерживающих диалоговые
услуги, возник ряд новых задач, которые потребовали пересмотра ряда положений теории теле-
трафика. В статье анализируются тенденции эволюции сетей доступа с точки зрения роста ее про-
пускной способности и приводятся результаты исследований, направленных на оценку параме-
тров пакетного трафика.
Введение обслуживаемого мультисервисного трафика, вос-
На страницах журнала "ПЕРВАЯ МИЛЯ" авторы уже требованного пользователями. Результаты иссле-
опубликовали несколько статей [1–4], напрямую дования некоторых характеристик этого трафика,
связанных с тематикой данной работы. Задачи представляющего собой поток пакетов, приве-
разработки эффективных сценариев дальнейшего дены во втором разделе статьи.
развития сетей доступа остаются актуальными. Третий раздел данной статьи содержит ряд
Более того, ряд процессов, типичным примером положений, которые уместно рассматривать как
которых служит рост пропускной способности направления для дальнейших исследований.
сетей доступа, не вступили, против ожидания Они связаны как с системно-сетевыми вопросами,
значительной части научного сообщества, в фазу так и с новыми задачами, решаемыми методами
насыщения, а получили новый импульс разви- теории телетрафика.
тия. Анализ тенденции дальнейшего роста про-
пускной способности сетей доступа представлен Рост пропускной способности сетей
в первом разделе статьи. доступа
Максимальная скорость обмена данными В эпоху использования сетей доступа для теле-
в сети доступа, как правило, бывает востре- графной и телефонной связи вполне приемле-
бована в сравнительно короткие периоды вре- мыми номиналами пропускной способности были
мени. Для рационального построения тех фраг- канал тональной частоты (ТЧ) в спектре 0,3–3,4 кГц,
ментов телекоммуникационной системы, кото- а позже – основной цифровой канал (ОЦК) со скоро-
рые по уровням иерархии находятся выше сети стью обмена информацией 64 кбит/с. Затем сформи-
доступа, необходимо исследовать характер ровался спрос на передачу данных. Для их передачи
64 ПЕРВАЯ МИЛЯ 4/2020Проводная связь
по каналу ТЧ были разработаны модемы со ско-
ростями 600, 1200, 2400, 4800, 9600 бит/с и выше.
C, Мбит/с
Переход к ОЦК позволил задействовать номиналы
скоростей вплоть до 64 кбит/с, затем стали исполь-
зовать пропускную способность нескольких ОЦК. 105
В начале 80-х годов прошлого века многие
специалисты считали, что спрос на диалоговые
услуги (в их состав не входила передача видеоин- 104
формации) будет полностью удовлетворен за счет
использования ресурса, который предоставлялся
цифровой сетью интегрального обслуживания.
103
Она более известна по англоязычному сокраще-
нию ISDN – Integrated Services Digital Network [5].
Основной доле пользователей концепция ISDN
предлагала доступ, который включал два ОЦК 102
t
и один служебный канал с пропускной способ- 2000 2010 2020
ностью 16 кбит/с.
Убежденность в достаточности такого ресурса
на уровне сети доступа имела под собой вполне Рис.1. Рост скорости обмена данными в сети
разумные обоснования. В частности, на одной доступа
из дискуссий, организованной в рамках автори-
тетной научной конференции, прозвучала такая
оценка: даже на скорости 32 кбит/с за сутки
можно передать (правда, без иллюстраций) в сети доступа C, опубликованная в статье [7].
содержание Малой советской энциклопедии, Характер этой зависимости соответствует верти-
которая содержит колоссальный объем зна- кали Снукса – Панова [8].
ний. В те годы казалось, что включение видео Очевидно, что данные, публикуемые на сайте
информации в состав диалоговых услуг, что, https://www.commsupdate.com, подтверж дают
кстати, позволило бы объединить сети, различ- оценку C на 2020 год.
ные по функциональным возможностям, потре- Далее возникает резонный вопрос: означает
бует не столь существенно повысить пропускную ли такой рост скорости обмена данными в сети,
способность сети доступа. что аналогичными темпами должна повышаться
Опуская дальнейший исторический экс- производительность узла коммутации (УК), кото-
курс и анализ допущенных просчетов, перей рый расположен на нижнем уровне иерархии
дем к ситуации, которая сложилась к 20-м телекоммуникационной системы? Для ответа
годам 21 века. Каждый рабочий день на сайте на этот вопрос необходим анализ трафика, обслу-
https://www.commsupdate.com публикуется живаемого сетями доступа. Некоторые резуль-
информация о проектах развития сетей доступа таты такого анализа приведены в следующем
в разных странах. В текущем году о планах пре- разделе статьи.
доставления пользователям доступа на скоро-
сти 1 Гбит/с и выше (вплоть до 10 Гбит/с) сооб- Анализ трафика, обслуживаемого
щили операторы связи Италии, Великобритании, сетями доступа
Новой Зеландии, Австрии, Сербии, Нидерландов, Скорость обмена данными в сети доступа коле-
Канады и ряда других стран. блется в широких пределах. По этой причине
В [2] были приведены соображения, касающиес я для каждого i-го направления, включенного в УК,
причин такого роста пропускной способности уместно оперировать функцией Ci(t). Эта функция
сети доступа, а так же предложена соответст при заданных показателях качества обслуживания
вующая модель для прогнозирования этого про- мультисервисного трафика позволяет оценить про-
цесса, которая основана на трактовке концепции пускную способность i-го направления в УК, обозна-
"Окна Овертона" [6] с технической точки зрения. чаемую далее как Gi, за счет использования мето-
На рис.1 на отрезке времени t продолжительно- дов теории телетрафика [9, 10].
стью в двадцать лет показана экспоненциаль- На первый взгляд, суммарная пропускная спо-
ная тенденция роста скорости обмена данными собность УК, равная H, может оцениваться суммой
ПЕРВАЯ МИЛЯ 4/2020 65Проводная связь
Они выделены искусственно – для пояснения
процессов, происходящих в математической
Сеть доступа модели. Сумматор формирует поток A(t), знание
Базовая сеть
характеристик которого позволяет найти вели-
A1(t) p1
чину H. Разделитель осуществляет обратную
1
A2(t) p2 операцию – распределяет обработанные заявки
A(t) D(t) 2
по m направлениям.
Σ /
Разделитель работает с выходящим потоком,
pn для которого задана зависимость D(t). Она пред-
Сумматор Разделитель m
ставляет собой функцию распределения длитель-
An(t)
ности интервалов между моментами, в которые
Узел коммутации
заявки покидают обслуживающее устройство.
Функции обслуживающего устройства выпол-
няет маршрутизатор. Он обрабатывает IP-пакеты
Рис.2. Структура исследуемой модели (заявки) аппаратными средствами.
Рис.3а иллюстрирует процесс поступле-
ния IP-пакетов r1 (t) от одного источника.
Предполагается, что IP-пакеты приходят через
всех значений Gi. Такое решение приводит к замет- постоянное время T. Ниже приведены варианты
ному росту инвестиций, необходимых для построе- процесса r 3 (t), который описывает результаты
ния сети доступа. Однако периоды времени, в тече- суммирования трех потоков IP-пакетов. Каждый
∫
ние которых наблюдаются пиковые значения Ci(t), из суммируемых потоков представим процес-
как правило, не совпадают [9, 10]. Данный факт сом r1(t).
позволяет выбирать решения, для которых спра- Варианты (б) и (в) на рис.3 соответствуют
ведливо следующее неравенство: детерминированному входящему потоку заявок.
Для такого потока коэффициент вариации дли-
H < ∑ Gi.
{I} тельности интервалов между моментами посту-
пления заявок C A равен нулю. Для вариантов
Насколько значение H меньше правой части (б) и (в) легко определить минимальное время
этого неравенства, можно определить по резуль- обработки IP-пакетов t min, при котором очередь
татам анализа входящего трафика. Модель, позво- во входящем буферном накопителе отсутствует:
ляющая провести такой анализ, показана на рис.2. t min = T/3.
В современных телекоммуникационных сетях тра- Вариант (г) иллюстрирует ситуацию, более инте-
фик можно рассматривать как последовательность ресную с практической точки зрения. Минимальное
IP-пакетов, которая в терминах теории телетрафика время между входящими IP-пакетами составляет
трактуется как поток заявок. На вход системы теле- T/h. Очевидно, что выбор значения t min = T/h не
трафика, которая является математической моде- будет эффективным решением по экономиче-
лью УК, поступает n потоков заявок. Зависимость ским соображениям, так как приведет к выбору УК
Ai(t) представляет собой функцию распределения с избыточной производительностью. Для n направ-
длительности интервалов между моментами посту- лений в составе сети доступа справедливо такое
пления заявок. Величина pi определяет долю зая- неравенство: T/h ≤ tmin ≤ T n. Учитывая, что вели-
вок, поступающих из i-го направления. чина h может оказаться весьма близкой к нулю,
Если измерены или оценены иным способом диапазон изменения значений tmin будет слишком
значения интенсивности потока для каждого широким и не позволит выбрать УК с оптимальной
i-го направления λ(i), то величины pi рассчиты- производительностью.
ваются из очевидного соотношения:
∫ По этой причине важной задачей анализа тра-
фика становится выбор вида распределения A(t),
λ(i) а также его параметров. Во многих случаях доста-
pi = .
n
точно знать интенсивность входящего потока λ
∑ λ(j)
j=1 и коэффициент вариации длительности интерва-
лов между моментами поступления IP-пакетов C A.
Функциональные блоки, названные суммато- Расчет величины λ не вызывает проблем: необхо-
ром и разделителем, в составе УК отсутствуют. димо просуммировать все значения λ(i). Оценка
66 ПЕРВАЯ МИЛЯ 4/2020Проводная связь
же величины C A представляет собой весьма слож-
ную задачу.
r1(t)
В качестве зависимостей A i(t) теоретический
и практический интерес представляет несколько τ
видов функций распределения. Одной из весьма 1 2 3 5
t/τ
0 4 6
полезных зависимостей считается бета-распре-
а) Исходный трафик от одного (i-го) источника
деление [4, 11, 12]. Для i-го потока заявок коэф-
фициент вариации C A(i) может достигать весьма τ/3
r3(t)
существенных значений. Для оценки величины
C A можно использовать следующую∫ приближен-
ную формулу [13]: t/τ
0 1 2 3 4 5 6
n б) Трафик от трех источников: равномерное поступление пакетов
C2A ≈ 1 + ∑ pi CA2 (i) – 1 .
i=1 r3(t)
В табл.1 приведены результаты оценки вели-
чины C A для трех суммируемых потоков при
шести различных сочетаниях значений pi и C A(i).
Вычисленные оценки C A позволяют сделать ряд
t/τ
выводов. Во-первых, величина C A всегда меньше, 0 1 2 3 4 5 6
чем максимальное значение C A(i), что соответ- в) Трафик от трех источников: групповое поступление пакетов
ствует базовым положениям теории телетрафика
[9, 10]. Во-вторых, при идентичных интенсив- r3(t) τ/h
ностях суммируемых потоков (три первых при-
мера в таблице) величина C A близка к средне
t/τ
арифметическому значению всех слагаемых C A(i). 0 1 2 3 4 5 6
В-третьих, при доминировании интенсивности г) Трафик от трех источников: случайный характер
потока, для которого характерно самое большое поступления пакетов
значение C A(i) (четвертый пример), величина C A
так же будет максимальной.
Столь высокие значения величин C A позво-
ляют утверждать, что при случайном объедине-
нии потоков – вариант (г) на рис.3 – потребуется
более производительный УК по сравнению с теми
ситуациями, когда входящие потоки предста- Рис.3. Три варианта суммирования трех потоков
вимы детерминированными процессами раз- пакетов
ной природы. Правда, следует отметить, что
Таблица 1. Результаты оценки коэффициента вариации CA
№ п/п p1 p2 p3 CA(1) CA(2) CA(3) CA
1 0,33 0,33 0,34 2,00 3,00 4,00 3,12
2 0,33 0,33 0,34 2,00 4,00 6,00 4,34
3 0,33 0,33 0,34 2,00 6,00 10,00 6,87
4 0,10 0,30 0,60 2,00 6,00 10,00 8,44
5 0,30 0,60 0,10 2,00 6,00 10,00 5,73
6 0,60 0,10 0,30 2,00 6,00 10,00 6,00
ПЕРВАЯ МИЛЯ 4/2020 67Проводная связь
приближения, предложенные в [13], не содержат 2. Соколов Н. Сценарии реализации концеп-
оценки точности вычисления значения C A. Это ции "Интернет вещей" // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2016.
актуализирует задачу моделирования работы УК, № 4. С. 50–54.
чтобы, используя подходящий критерий согла- 3. Пинчук А., Соколов Н. Пять направлений
сия [14], выбрать адекватное распределение A(t). развития сетей доступа // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2017.
№ 5. С. 30–35.
Направления дальнейших 4. Зайцев В., Соколов Н. Особенности мульти-
исследований сервисного трафика с учетом сообщений, соз-
Соображения, изложенные в двух предыдущих раз- даваемых оконечными устройствами IoT //
делах статьи, позволяют сформулировать актуаль ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2017. № 6. С. 28–31.
ные направления дальнейших исследований. 5. Kessler G.C., Southwick P.V. ISDN: Concepts,
По мнению авторов, следует выделить три важ- Facilities, and Services. – McGraw-Hill Osborne
ные задачи. Media, 1998. 784 p.
Во-первых, необходимо разработать сценарии 6. Beck G. The Overton Window. – Mercury Radio
дальнейшей эволюции сетей доступа, которые Arts, 2010, 321 p.
будут касаться не только роста их пропускной спо- 7. Куликов Н., Пинчук А., Соколов Н. Особен-
собности. Очевидно, что такие сценарии могут ности разработки инновационных решений
быть составлены только после появления концеп- на длительную перспективу // ПЕРВАЯ МИЛЯ.
ции дальнейшего развития телекоммуникацион 2019. № 5. С. 48–53.
ной системы в целом. Более того, необходимо учесть 8. Панов А.Д. Сингулярность Дьяконова // Жур-
и тенденции модернизации других отраслей эконо- нал Русской физической мысли. 2011. № 1–12.
мики, а также социальной сферы, которые форми- С. 68–78.
руют спрос на телекоммуникационные и информа- 9. Степанов С.Н. Теория телетрафика: концеп-
ционные услуги. Таким образом, разработка пол- ции, модели, приложения. – М.: Горячая ли-
ноценных сценариев дальнейшей эволюции сетей ния–Телеком, 2015. 867 c.
доступа будет базироваться на результатах междис- 10. Соколов Н.А. Задачи планирования сетей
циплинарных исследований [15]. электросвязи. – СПб: Техника связи, 2012.
Во-вторых, следует провести измерения трафика 432 c.
в различных сетях доступа с целью выявления 11. Levakov A.K., Sokolov A.N., Sokolov N.A. Using
типичных групп пользователей. В данном случае a Step Distribution Function to Describe the In-
под типичной группой пользователей понимаетс я coming Packet Flow // Proceedings of XXII Inter-
та, для которой интенсивность потока пакетов λ(i) national Scientific Conference "Distributed Com-
и вид функции распределения A i(t) близки друг puter and Communication Networks: Control,
к другу. Результаты измерения трафика в различ- Computation, Communications". Moscow, 2019.
ных сетях доступа позволят экономично созда- P. 469–476.
вать и модернизировать телекоммуникационную 12. PP TR 37.868 V11.0.0 (2011-09) Technical Report
систему в целом, обеспечивая при этом соблюде- 3rd Generation Partnership Project; Technical
ние нормируемых показателей качества обслужи- Specification Group Radio Access Network; Study
вания мультисервисного трафика. on RAN Improvements for Machine-type Com-
В-третьих, требуется разработать научно обосно- munications. (Release 11). – Sophia Antipolis,
ванную методику оценки характера потока паке- 2011. 28 p.
тов, образуемых за счет суммирования нагрузки 13. Allen O.A. Queueing models of computer sys-
из разных фрагментов сети доступа. Такая мето- tems // Computer. 1980. V. 13. № 4. P. 13–24.
дика позволит корректно выбирать характеристики 14. Крамер Г. Математические методы статисти-
узлов коммутации, устанавливаемых на границе ки. – М.: Мир, 1975. 648 c.
сети доступа. Кроме того, данная методика будет 15. Моисеев Н.Н. Избранные труды. В 2-х т. Т. 2.
полезной для прогнозирования роста трафика, Меж дисциплинарные исследования гло-
создаваемого при возникновении чрезвычайных бальных проблем. Публицистика и обще-
ситуаций [16]. ственные проблемы. – М.: Тайдекс Ко, 2003.
264 c.
ЛИТЕРАТУРА 16. Леваков А.К. Сеть связи следующего поколе-
1. Соколов Н. Эволюция сетей доступа. Три ния в чрезвычайных ситуациях. Анализ мо-
аспекта // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2015. № 2. С. 56–61. делей телетрафика. – М.: ИРИАС, 2019. 124 c.
68 ПЕРВАЯ МИЛЯ 4/2020Вы также можете почитать
