Скачиваний:   0
Пользователь:   prepod
Добавлен:   26.10.2015
Размер:   484.5 КБ
СКАЧАТЬ

Лабораторная работа  № 5

По курсу дисциплины: « Системы управления транспортной  сетью»

на тему: «Методика моделирования и расчет оценки параметров качества IP-технологий»

 

Цель работы: Изучить и освоить методику  моделирования и расчет оценки параметров качества IP-технологии.

Порядок выполнения работы:

1. Получить инструктаж по ОТ и ТБ перед началом выполнения лабораторной работы.

2. Ознакомиться с методическими указаниями  по лабораторной работе.

3. Получить вариант задания   у преподавателя после сдачи допуска (табл.1) и приступить к выполнению лабораторной работы.

4. Использовать методику расчетов оценки параметров качества IP-технологий.

 

  Теоретическая часть.

 Телекоммуникационный сектор  состоит из вторичных сетей электросвязи, использующих сетевые технологии: высокоскоростной коммутации (asynchronous transfer mode, ATM) и IP- телефонии, комплекса услуг на базе сетей новых поколений (Next-Generation Network,NGN) (рис.1) и терминального оборудования на базе DSP–технологии (Digital Signal Processing), определяющего возможность интеграции мультисервисных систем связи. Эти три базовые составляющие отражают эволюцию телекоммуникационного сектора на базе интеграции современных телекоммуникационных технологий, позволяющих поддерживать характеристики вторичных сетей электросвязи и значения показателей (Quality of Service,QoS). Это и необходимо учитывать при создании методов решения задачи повышения  и анализе алгоритмов качества  работы IP-сетей.

 

5-2 СУТС

Рис. 1

 

Объектом исследования  при разработке методики является терминальное оборудование мультисервисных сетей связи, на котором реализуются пакетные технологии передачи неоднородного трафика  на примере  IP-технологий.

 

Обычно в сетях с коммутацией пакетов наиболее нестабильные задержки доставки информации, которые характеризуется показателем джиттером задержки. Наибольшее влияние на джиттер задержки имеют:

l нестабильность характеристик терминального оборудования кодека или буферизации;

l нестабильность характеристик сетей, например задержка распространения;

Общим для задержек первого типа(задержка в кодеках и при внутренней буферизации на звуковых и телефонных картах) является то, что они  определяются размером кадра  и поэтому могут быть достаточно точно вычислены.

Сквозные сетевые задержки влияют на время прохождения пакета от источника до получателя и включают:

l задержки передачи пакета IP через линию связи;

l задержки распространения сигнала;

l задержки в узлах обработки пакетов (маршрутизации и ожидание в очередях);

l протокольные задержки, которые связаны с повторной передачей пакета IP в доступе или в магистральной сети;

l задержка в шлюзах, обусловленные скоростью межсетевых интерфейсов;

Качество услуг IP-телефонии может быть соотнесено с одним из четырех классов (таблица 1).

l отлично (Excellent), когда полученное качество сравнимо с качеством услуги PSTN;

l хорошее (Good), к которому относится услуга с потенциальной возможностью предоставления качества, сравнимого с качеством предоставления услуги PSTN, но при возникновении задержек может быть достигнуто путем оптимизации используемой полосы пропускания;

l середнее (Fain), сравнимо с качеством предоставляемых услуг беспроводной связи например, в сетях подвижной связи стандарта GSM, и может быть реализовано в IP-сетях, не подверженным перегрузкам;

l недостаточное (Poor), при котором обеспечивается «приемлимое» взаимодействие пользователей, но со значительным ухудшением качества речи.

Показателей качества речевого взаимодействия «от края до края» зависит от характеристик терминального оборудования. Определено три типа терминалов:

 

· тип А, который отвечает классам качества предоставляемых услуг «Excellent» и«Good» и характеризуется широкой полосуй пропускания (више, чем 64 Кбит/с);

· тип В, отвечает классам услуг «Good» и «Fain» и характеризуются средней полосой  пропускания;

· тип С, отвечает классам качества предоставляемых услуг «Fain» и «Poor» и характеризуется  характеризується малою полосой пропускания (менше 25 Кбит/с) как, например, в случае модемной связи.

 

 

 

 

Таблица 1. -  Классы качества услуг IP-телефонии

Класс качества услуг передачи речи

Excellent

Good

Fain

Poor

Качество голоса в одном направлении

Не хуже, чем по G.711

Не хуже, чем по G.726 для V=32Кбит/с

Не хуже, чем GSM-FR

 

---і-

Сквозная  задержка

< 150 мс

< 250 мс

< 450мс

> 450мс

 

 

 

 

Время установления соединения

 

 

 

 

 

При прямой IP-адрессации

< 1,5 мс

< 4 мс

< 7 мс

 

Перевод номера абонента с форматом, который  отвечает Е.164, в IP- адресс

< 2 з

< 5 з

< 10 з

 

Перевод номера абонента с форматом, который  отвечает Е.164, в IP- адреса, через расчетную организациюю

< 3 з

< 6 з

< 15 з

 

Перевод имени e-mail в IP-адресс

< 4 з

< 13 з

< 25 з

 

Коэффициент потери пакетов IP

0%

3%

15%

25%

Пиковое дрожание фазы (джитер)

0 мс

75 мс

125 мс

225мс

 

 

 Математическое описание методов оценки параметров качества функционирования IP-технологий в сетях новых поколений

В целях создания  методов оценки параметров качества функционирования IP-сетей  в сетях новых поколений исследованы их комплексные характеристики с заданными параметрами системы качества обслуживания  (QoS ).

Для решения данной задачи исследуемые характеристики параметров качества функционирования IP-сетей в сетях новых поколений делятся условно на следующие большие группы показателей системы передачи неоднородного трафика:

· Характеристики сети 5-2 СУТС  и терминального оборудования 5-2 СУТС, т.е. эффективность функционирования терминального оборудования IP-сетей  при передаче i–го потока пакетов неоднородного трафика:

       5-2 СУТС;                                                                              (1)

 

                              5-2 СУТС5-2 СУТС 5-2 СУТС                             (2)

 

Здесь 5-2 СУТС-максимальное значение суммарной пропускной способности при передаче 5-2 СУТС–го потока пакетов; 5-2 СУТС-скорость работы абонентских и сетевых терминалов при передаче  5-2 СУТС–го потока пакетов; 5-2 СУТС - коэффициент эффективного использования интегрального мультиплексора и маршрутизатора при передаче 5-2 СУТС–го потока пакетов; 5-2 СУТС - вероятностный параметр сетей связи, учитывающий качество функционирования системы, который позволяет оценить вероятность отказа в немедленном обслуживании потоков пакетов [4], с учетом количества терминального оборудования 5-2 СУТС в звеньях IP-сети:

 

                         5-2 СУТС 5-2 СУТС,                               (3)                                        

                                      

Где 5-2 СУТС– вероятность того, что вначале, при поступлении потоков пакетов в звенья, все терминальное оборудование свободно; 5-2 СУТС – обобщенный параметр потоков пакетов неоднородного трафика.

 

                  5-2 СУТС, 5-2 СУТС,                                                 (4) 

                                      

Где 5-2 СУТС - среднее время, затрачиваемое на передачу одного пакета в IP-сетей ;5-2 СУТС - суммарная скорость поступления i–го потока пакетов;

· Показатели качества предоставляемых услуг 5-2 СУТС; т.е. качество обслуживания 5-2 СУТС–го потока пакетов неоднородного трафика, которые определены по рекомендациям ITU-T G.106 и ориентированы на пользователя:

 

5-2 СУТС5-2 СУТС, 5-2 СУТС;                             (5)

 

Где 5-2 СУТС– среднее время задержки при передаче 5-2 СУТС–го потока пакетов;  5-2 СУТС- суммарная вероятность потерь при передаче 5-2 СУТС–го потока пакетов; 5-2 СУТС–усредненная взвешенная степень утилизации абонентских и сетевых терминалов (входного порта, интегрального мультиплексора, граничного коммутатора, виртуального маршрутизатора и др.)

Таким образом, показателями QoS являются комплексные характеристики IP-сетей[3], определяющие такие категории, как соглашение об уровне обслуживания (Service Level Agreement,SLA) и класс обслуживания (Class of Service, CoS) для предоставления услуг пользователю на базе современных технологий ATM и IP- телефонии по рекомендации ITU-T E.800 и E.860.

 

Методы создания сегментов IP-сетей, образованных абонентскими и сетевыми терминалами

В целях повышения качества функционирования сегментов IP-сетей для передачи разнотипных пакетов необходимо создать эффективную структуру звена IP-сети. Для решения данной задачи предлагается простейшая схема IP-сетей (рис. 2), состоящий из следующих сегментов: буферного накопителя (БН) абонентского терминала, сети абонентского доступа (САД), сетевых узлов доступа, интегральных мультиплексоров и виртуальных маршрутизаторов ATM и IP-телефонии, работающих с  протоколом многопротокольной коммутации меток (Multi protocol Label Switching, MPLS) и многопротокольная коммутация меток поверх АТМ (Multi protocol over ATM, MPOA).

 

5-2 СУТС

Рис.2

 

Рассмотрим алгоритм работы на примере отдельного сегмента IP-сети: абонентского терминала. Пусть в модуль БН абонентского терминала поступают пуассоновские входящие потоки пакетов с параметрами  5-2 СУТСобразуемые в результате суперпозиции 5-2 СУТС неоднородных информационных потоков пакетов с интенсивностью 5-2 СУТС, 5-2 СУТС, создаваемые различными типами  источников нагрузки (речь, данные, факс, Internet, видео). Далее через САД и сетевые узлы доступа, разнотипные пакеты поступают к интегральному мультиплексору. При этом скорость поступления потоков пакетов в звено сети абонентского доступа зависит от текущего состояния системы:

 

5-2 СУТС,если 5-2 СУТС,                                                     (6)                                          

                                                5-2 СУТС, если 5-2 СУТС.

 

В сегментах маршрутизации управления трафиком начинается с абонентского терминала в сети и заканчивается виртуальным маршрутизатором на выходе из сети связи  со скоростями передачи: основного цифрового канала (ОЦК), 64 кбит/с, первичного цифрового потока (Е1), 2 Мбит/с и четверичного цифрового потока (Е4), 155 Мбит/с, работающих в режиме установленного соединения. Виртуальные маршрутизаторы в линейных цифровых трактах систем передачи могут выделять и обрабатывать в первую очередь чувствительные к задержкам  пакеты речи и видео с использованием протоколов МРОА. Применение механизма  МРОА позволяет объединить локальные и корпоративные сети IP с магистралями АТМ, обеспечивая разнообразие интерфейсов и увеличение скорости передачи от 64 кбит/с до 2,5 Гбит/с.

Из алгоритма управления  передачей разнотипных  пакетов по заданным параметрам загрузки системы 5-2 СУТС и матрице маршрутов трафика вытекает, что исследуемое звено IP-сети должно состоять из 5-2 СУТС  абонентских и сетевых терминалов. При этом для каждого вновь поступающего потока пакетов потребуется N терминалов, 5-2 СУТС, с вероятностью 5-2 СУТС, где  5-2 СУТС, т.е. поток разнотипных пакетов трафика представляет собой суперпозицию 5-2 СУТС независимых пуассоновским потоком.

Таким образом, скорости   потоков пакетов, проходящих через 5-2 СУТСсегментов в стационарном режиме, удовлетворяют следующей системе линейных управлений:

 

5-2 СУТС;                                                          (7)

 

Решение, которое в силу предложения о том что, стохастический элемент  матрицы маршрутов является неразложимым,  существует в единственном числе (здесь5-2 СУТС- скорость поступления потоков пакетов извне в звено i;5-2 СУТС-вероятность маршрутизации).

Уравнение (7) называется уравнением потоков пакетов трафика, которые определяют условия локального баланса и вероятности перехода, задаваемые матрицей маршрутов:

                5-2 СУТС 5-2 СУТС   5-2 СУТС  5-2 СУТС                         (8)

 Представленный сегмент IP-сети для реализации алгоритма «от источника до получателя» обеспечивают эффективную передачу разнотипных пакетов благодаря выбору универсальной технологии АТМ и IP- телефонии на основе механизмов МРОА   и MPLS.

 

Методика расчета  параметров качества обслуживания потоков пакетов трафика          

Одним из показателей гарантированного качества обслуживания речевого и видеотрафика, является среднее время задержки  передачи потоков пакетов, чувствительных к задержкам передаваемых трафиков.

Как следует  из выше рассмотренных алгоритмов работы IP-сетей  среднее время задержки при передаче потока пакетов включает следующие временные составляющие: среднее время задержки при передаче потоков пакетов по трактам системы передачи – 5-2 СУТС; время ожидания очереди БН на передачу внутри звена – 5-2 СУТС; время обработки пакета терминальным устройством – 5-2 СУТС. Суммарное значение среднего времени задержки передачи i –го потока пакетов в звеньях IP-сетей определяется следующим образом:

 

    5-2 СУТС  5-2 СУТС,                     (9)   

         

Где 5-2 СУТС– коэффициент сжатия трафика 5-2 СУТС –го потока пакетов  на основе дифференциальных алгоритмов данных и алгоритмов интерполяции речевых и видеосигналов; 5-2 СУТС - допустимое среднее  время  задержки 5-2 СУТС –го потока пакетов  речевого трафика; по рекомендации ITU-T G.114 5-2 СУТС≤ (150…300) мс.

Для поддержки IntServ и DiffServ в IP-сетях необходимо эффективно использовать терминальные и сетевые ресурсы при нормальном функционировании сети, когда отсутствует неограниченное  увеличение очереди, коэффициент эффективного использования ресурсов виртуального маршрутизатора или интегрального мультиплексора должны быть меньше единицы:

 

5-2 СУТС5-2 СУТС                                      (10)

 

 Найденные резервы ресурсов терминального оборудования на всех звеньях IP-сетей  позволяют составить планируемый маршрутизатор трафика в соответствии с рекомендацией ITU-T E.529. Однако, несмотря на наличие резервов ресурсов сегментов IP-сетей, потоки пакетов неоднородного трафика также происходят, но лишь тогда, когда емкости БН входного порта Nm полностью заполнены или при экстремальной  ситуации в сетях связи.

Знание суммарных потерь пакетов на сегментах IP-сети  определяет выражение:

 

               5-2 СУТС5-2 СУТС,                                  (11)

 

Где 5-2 СУТС – вероятность потерь в звене  при передаче 5-2 СУТС–го потока пакетов.

Выражение позволяет рассчитывать для звеньев IP-сетей суммарные потери пакетов с входным параметром информационных потоков пакетов и скорости работы абонентских и сетевых терминалов.

 

 Методика оценки показателей сетевых характеристик

Особенно сложными является задачи оценки характеристик сегментов IP-сетей с ограниченными ресурсами по критерию эффективности – пропускной способности цифровых трактов связи и управления передачи трафика при обеспечении требуемого качества предоставления услуги.

С учетом последних требований и максимальной скорости поступления входного трафика 5-2 СУТС–го пакета при обслуживании всех  суммарная пропускная способность IP-сетей  связи должна удовлетворять следующему условию:

 

5-2 СУТС.                                                                   (12)

 

С учетом условия и длины передаваемого пакета 5-2 СУТС суммарная пропускная способность IP-сетей 5-2 СУТС–го потока пакетов определяется следующим выражением:

5-2 СУТС, 5-2 СУТС.              (13)

Выражение (13) определяет интенсивность выхода потоков пакетов из звена сети с учетом вероятности потерь пакетов в сегменте IP-сетей и вероятности простоя сетевого устройства в сетях связи при ограниченном количестве Nm  терминального оборудования.

 

            Практическая часть.

   1. Провести расчеты для трех классов обслуживания (Excellent, Fine, Good)  использую формулу (11),  при исходных данных (варианты задания представлены в таблице 1).

 

Варианты задания представлены в таблице 1.

 

Варианты

5-2 СУТС – вероятность потерь в звене  при передаче

Nm –количество абонентских окончаний

1

0,01; 0,03;0,15

16

2

0,01; 0,03;0,15

32

3

0,02; 0,05; 0,15

8

4

0,02; 0,05; 0,15

64

5

0,01; 0,07;0,25

16

6

0,01; 0,03;0,15

64

7

0,01; 0,07;0,25

64

8

0,02; 0,05; 0,15

32

 

2. По результатам расчетов построить графики распределения вероятности потерь пакетов в зависимости от готовности звеньев сети,где представлено изменение суммарных потерь пакетов на сегментах IP-сети для разных классов качества услуг IP-телефонии (Excellent, Fine, Good), используя ПО Matlab V 7.1.

 

3. Проанализировать полученные графики.

 

4. Провести расчеты для трех классов обслуживания (Excellent, Fine, Good)  использую формулу (13),  при исходных данных (варианты задания представлены в таблице 1). Варианты задания представлены в таблице 2.

 

Таблица 2

    Варианты

5-2 СУТС– вероятность того, что вначале, при поступлении потоков пакетов в звенья, все терминальное оборудование свободно

5-2 СУТС-длины передаваемого пакета, бит

5-2 СУТС-скорость работы абонентских и сетевых терминалов при передаче  5-2 СУТС–го потока пакетов, бит/с

5-2 СУТС – вероятность потерь в звене  при передаче

            1

от 0 до 1, с шагом 0.1

512;1024;4608

64.*10.^3

0,01

           2

-“-

-“-

128*10.^3

0,03

           3

-“-

-“-

2 *10.^6

0,03

           4

-“-

-“-

155*10.^6

0,01

           5

-“-

-“-

2*10.^6

0,01

           6

-“-

-“-

64*10.^3

0,15

           7

-“-

-“-

155*10.^6

0,15

           8

-“-

        -“-

64*10.^3

0,03

 

 

5. По результатам расчетов построить графики зависимости пропускной способности  от длины пакета и условий передачи в IP-сети для разным классам качества услуг IP-телефонии (Excellent, Fine, Good), используя ПО Matlab V 7.1

6.

7. Проанализировать полученные графики.

 

Содержание отчета:

1. Результаты расчетов

2. График по результатам расчетов

3. Выводы.

 

Контрольные вопросы:

1. Перечислите классы качества услуг стандартизированные для IP-телефонии, их основные  основные характеристики.

2. Какие виды временных задержек относятся к сквозным сетевым задержкам?

3. От чего зависит эффективность функционирования терминального оборудования IP-сетей  при передаче i–го потока пакетов неоднородного трафика?

4. Перечислите основные показатели гарантированного качества обслуживания речевого и видеотрафика.

5. Как расчитать суммарное значение среднего времени задержки передачи i –го потока пакетов в звеньях IP-сетей, от чего оно зависит?

6. Проанализируйте полученные графики, как влияет длина пакета на значение пропускной способности i –го потока пакетов?

7.  Проанализируйте полученные графики, как изменяется  значение потери пакетов от готовности звеньев сети при передачи i –го потока пакетов?

8. Охарактеризуйте структуру сегмента IP- сети.

9. Проанализируйте полученные графики, охарактеризуйте передачу потока пакетов классов Fine и Good при больших значениях времени обрабокти пакетов терминальным устройством.

10. Охарактеризуйте показатели качества речевого взаимодействия «от края до края»  в зависит от характеристик терминального оборудования.

11. Дайте определиние понятия «джиттер», какие характеристики имеют наибольшее влияние на джиттер задержки?

12. Какое значение должен иметь коэффициент эффективного использования ресурсов виртуального маршрутизатора для нормальной работы сети?

13. Что является критерием эффективности для обеспечиния качества предоставляемой услуги?

14. Что представляет собой SLA, основное его предназначение.

15. От каких характеристик и показателей зависит  пропускная спсобность IP-сетей?

16. Проанализировать графики распределения вероятности потерь пакетов в зависимости от готовности звеньев сети.

 

 

 


1

 
 λ=1 

 

 
 λ=0.7

 

 
5-2 СУТС

К

 
 


ПРИМЕР РАСЧЕТОВ

 

 

Построим графики зависимости трафика обработки потока пакетов для полученного выражения, где представлено изменение времени задержки  пакетов по разным классах качества услуг IP-телефонии (Excellent, Fine, Good), используя ПО Matlab V 7.1.

 

ПО №1

clear;

clear memory;

Pn1=0.01;

Pn2=0.03;

Pn3=0.15;

N=1:2:16

Pcn1=1-[1-Pn1].^N;

Pcn2=1-[1-Pn2].^N;

Pcn3=1-[1-Pn3].^N;

plot(N,Pcn1,'-vk',N,Pcn2,'-ok',N,Pcn3,'-xk');

legend('Pcn1 =0.01','Pcn2=0.03','Pcn3 =0.15');

YLabel('Pcn');

XLabel('K');

grid;

 

2.Построение графиков

 

5-2 СУТС

Рисунок 1 – Графики распределения вероятности потерь пакетов в зависимости от готовности звеньев сети

3. Анализ полученных графиков

Таким образом, следуя из анализа графиков(рис.1)

- при 5-2 СУТС-вероятности потерь пакетов по разным классам качества услуг IP-телефонии (Excellent, Fine, Good), которая находится в пределах от 1% до 15%;

-  при 5-2 СУТС: от1 до 16 получены кривые, отображающие потери пакетов в зависимости от готовности звеньев сети;

- . при 5-2 СУТС от 15% и более вероятность потери передаваемых пакетов составляет около  90%.

Полученные аналитические выражения являются основными показателями QoS при передаче 5-2 СУТС–го потока пакетов, а также условиями обеспечения требуемого качества функционирования терминального оборудования IP-сетей.

  Построим графики, отображающие зависимость суммарной пропускной способности IP-сетей 5-2 СУТС–го потока пакетов с учетом условий и длины передаваемого пакета 5-2 СУТС используя ПО Matlab V 7.1.

 

1.  Провести расчеты для трех классов обслуживания (Excellent, Fine, Good)  использую формулу (13),  при исходных данных (варианты задания представлены в таблице 1). Варианты задания представлены в таблице

 

ПО№2

L11=512;

L21=1024;

L31=4608;

Vm=64.*10.^3;

pn=0.03;

po=0:0.1:1;

k=1;

C1=Vm*(1-pn)*po*k/L11;

C2=Vm*(1-pn)*po*k/L21;

C3=Vm*(1-pn)*po*k/L31;

plot(po,C1,'-vk',po,C2,'-ok',po,C3, '-xk');

legend('C1 =64','C2=128','C3 =576');

YLabel('C');

XLabel('po');

grid;

 

2. Построение графиков

 

5-2 СУТС

 

Рисунок 4.3 – Графики зависимости пропускной способности  от длины пакета и условий передачи в IP-сети

 

3. Анализ графиков

 

Таким образом, следуя из анализа графиков зависимости пропускной способности  от длины пакета и условий передачи в IP-сети (рис.2):

- при разной длине IP-пакетов 5-2 СУТС=64/128 /576 байт;

-   при 5-2 СУТС=64кбит/с и вероятности потери пакетов, отвечает первому классу обслуживания  5-2 СУТС=3%  и 5-2 СУТС=1;

-  пропускная способность терминального оборудования находится в пределах от 0(при условие, что все звенья терминального оборудования заняты- 5-2 СУТС= 0) до 128 кбит/с,  что  удовлетворяет  условию (12)

 

 

 

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

    На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

    Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

    Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



    Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

    Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

    Яндекс.Метрика