CC BY
67
21 декабря 2011 r. 16:42
"Инфокоммуникачионно-управленческие сети. Расчет и оптимизация систем связи"
Определение пропускных способностей линий сети МГМН связи с пакетной коммутацией
Пропускная способность является основополагающим параметром QoS, который оказывает главное влияние на экс-плутационные качества, воспринимаемые конечным пользователем. Определение пропускных способностей линий должно производиться с учетом требований к качеству обслуживания, приведенных в рекомендации Y.1541 МСЭ-Т. Основным требованием по обслуживанию трафика различного типа (класса) является допустимое время задержки в сети, которое может превышаться с вероятность не большей 0,001. Б сети МГМН связи такое допустимое время задержки между узлами междугородной сети составляет 100 мс. В это время задержки наряду со временем распространения и задержкой на обработку в шлюзах, которые не поддаются управлению, также входит время ожидания в очередях маршрутизаторов, которое необходимо минимизировать. В статье рассматривается способ оценки времени ожидания в маршрутизаторах и обеспечение нормируемых значений времени ожидания с помощью выделения требуемых ресурсов пропускной способности широкополосных каналов.
Михайлов С.К.,
Главный научный сотрудник НЛ-2222 ФГУП ЦНИИС, к.т.н.
Сергеева Т.П., [email protected]
Принято считать, что основные задержки пакетов в маршрутизаторах происходят в очередях при ожидании передачи в линию, т.е. на выходном интерфейсе. Выделение полосы пропускания для выходного интерфейса на основании известного объема трафика всех классов для каждого из участков сети может производиться, как показано в [1] путем решения специальной задачи массового обслуживания для системы М/М/1/оо/П с приоритетным обслуживанием очередей. Расчеты по формулам для системы с приоритетным обслуживанием очередей [1] показывают, что предельная величина задержки пакетов 1РЮ ( телефонного трафика зависит от средней занятости р обслуживающего прибора (широкополосного канала, подключенного к линейному интерфейсу) и может быть выражена в единицах среднего времени обслуживания Гу т.е. среднего времени передачи пакета по каналу.
Значения предельной величины задержки приведены в табл. 1.
Таблица 1
Значения предельной величины задержки на одном участке
Скорость канала, Мбит/с Р=0,3 IPTD ,«8Т, (мс) р=0,5 IPTD -12 Т„мс)
2 6,4 9,6
34 0,38 0,57
155 0,08 0,12
1000 0,013 0,0195
10000 0,0013 0,00195
Например, из табл. 1 видно, что при канале со скоростью 2 Мбит/с предельное время ожидания (квантиль уровня 1- 10 ) составляет 6,4 мс. Очевидно, такая задержка пакета в одном маршрутизаторе недопусти-
ма, если принимать во внимание, что общее количество маршрутизаторов в соединении по сети МГМН связи может достигать более 10.
В канале со скоростью 10 Гбит/с, которая является минимальной в сетях IP/MPLS операторского класса, используемых для построения сетей МГМН связи, время обслуживания 8-ми пакетов, которое зависит от скорости канала, составляет 1,3 мкс, а 12 пакетов - 1,95 мкс. Следовательно, при скорости канала 10 Гбит/с рассчитанное время ожидания равное времени передачи 8-ми пакетов существенно ниже существующих ограничений на время ожидания в маршрутизаторах, которое, как указывалось в рекомендации Y. 1541 МСЭ составляет 2-3 мс.
Тем более, как показывают реальные расчеты сетей МГМН связи, существующие и прогнозируемые объемы междугородного и международного телефонного трафика недостаточны, чтобы загрузить широкополосный канал со скоростью 10 Гбит/с на 30% его производительности.
Как показывают расчеты сетей МГМН связи максимальное количество телефонных каналов между транзитными узлами на одном звене сети МГМН связи самого крупного оператора не превышает 20000 каналов.
С учетом коэффициента использования междугородных каналов 0,8 для 20000 каналов потребуется пропускная способность П:
П = 20 000 • 0,8 • 64 кбит/с = 1,02 Гбит/с
Таким образом, в сети МГМН связи для каналов со скоростью 10 Гбит/с максимальная загрузка телефонным трафиком составит около 10%. При этом среднее значение очереди
г = _£_• (1)
\-р
При р- 0,3 значение среднего количества пакетов в системе, определенное по формуле (1), г *0,42.
Это означает практическое отсутствие очереди, т.е. в существующих операторских пакетных сетях МГМН связи с пропускными способностями линий между маршрутизаторами 10 Гбит/с телефонный трафик будет проходить практически без задержек в маршрутизаторах и не оказывать существенного влияния на трафик передачи данных, обслуживаемый с более низким приоритетом. В связи с этим для обслуживания телефонного трафика нет необ-
1 10
ходимости использовать алгоритм взвешенной очереди, которая обычно используется для того, чтобы трафик высшего приоритета не подавлял трафик нижних приоритетов, так как трафик телефонии мал по сравнению с трафиком передачи данных.
Таким образом, при возрастании в современных сетях IP/MPLS скоростей передачи выходных интерфейсов маршрутизаторов до 10 Гбит/с задержки в очередях маршрутизаторов и коммутаторов становятся существенно ниже задержек на шлюзах (20 мс) и задержек из-за времени распространения сигнала до адресата, которые для РФ, например, составляют, в среднем, 25 мс. Таким образом, требования рекомендации Y.1541 МСЭ-Т по времени задержки для трафика 0-го клосса в широкополосных каналах выполняются даже при использовании очереди FIFO и при загрузках каналов в диапазоне 0,1 -0,8.
Однако приведенные результаты расчета системы справедливы для пуассоновского потока, которым описывается телефонный трафик, тогда как трафик запросов к приложениям, который передается по общим каналам описывается самоподобным потоком. Для самоподобных потоков резкий рост времени ожидания наблюдается уже при значении р 0.5. Поэтому даже на широкополосных каналах для обработки телефонного трафика должен использоваться алгоритм приоритетной очереди, так как приоритетная очередь позволяет компенсировать влияние самоподобного трафика на телефонный трафик, обслуживаемый с высшим приоритетом. Кроме того, в очереди FIFO даже для пуассоновского потока при общей загрузке канала от 80% до 90% предельное значение времени ожидания на одном участке, превышаемое с вероятностью 1 10, уже составляет около 1 мс, что для сетей большого размера может составлять десятки миллисекунд.
Определение пропускных способностей
Исходя из этих особенностей, строится алгоритм расчета пропускных способностей каналов пакетной сети методом overprovision, который предполагает заведомо избыточное выделение ресурсов пропускной способности для трафика каждого вида с учетом его обработки в приоритетной очереди.
Если трафик Real-time, который обрабатывается с высшим приоритетом, обозначить RT, трафик второго приоритета Business-critical - ВС, а остальной трафик Best Effort, который заполняет все свободные ресурсы при отсутствии трафика высших классов обслуживания, обозначить BE, то для определения пропускной способности П широкополосного канала на каждом участке сети может быть решена система линейного программирования, в которой минимизируется пропускная способность канала П с учетом трех ограничений:
П min,
RT 0,3-П. (2)
RT ♦ ВС 0,5*П,
RT + BC+BE 0,8 П.
• Второе ограничение означает, что для трафика ВС, который может описываться самоподобным потоком, использование канала не должно превышать 0,5, добавление трафика RT в данное ограничение описывает тот факт, что пакеты этого трафика всегда обслуживается перед пакетами трафика ВС и создают дополнительную загрузку канала, которая должна быть учтена. Пульсирования трафика BE, который не имеет ограничений по времени обработки, обычно сглаживаются в сети IP различными способами, например, протоколом TCP или с помощью «ведра маркеров».
Таким образом, для определения пропускной способности каждого участка сети NGN необходимо распределить по сети все виды трафика, объединить трафик по классам обслуживания и рассчитать пропускную способность каждого участка в соответствии с системой уравнений (2). Расчет пропускной способности каждого участка может производиться с использованием стандартного пакета линейного программирования, например, свободно распространяемого пакета LP_Solve.
Возможно также приближенное, эвристическое решение задачи (2), которое заключается в последовательном распределении каждого потока трафика RT, ВС и BE по звенья сети с выполнением указанных в задаче ограничений. В [1] приводится достаточно сложный эвристический алгоритм, в котором необходимо на каждом звене сети учитывать реальную и фиктивную загрузку, представляющую собой переменный запас пропускной способности для обеспечения качества обслуживания для распределяемого класса трафика. Вся эта процедура может быть существенно упрощена, если объем трафика BE составляет более 50% суммарного объема трафика RT и BE на каждом звене. В действительности в сетях NGN такое требование обычно выполняется. В этом случае, учитывая обслуживание трафика в приоритетной очереди с тремя классами обслуживания, может быть гарантировано качество обслуживания как трафика первого так и второго приоритета. Это объясняется тем, что пропускная способность звена выбирается на основании суммы трафика всех видов, среди которых преобладает трафик BE, который обслуживается с нижним приоритетом. В этом случае для трафика верхних приоритетов общей зарезервированной емкости для обеспечения качества обслуживания всегда будет достаточно. Поэтому в эвристическом алгоритме может быть использована наиболее простая процедура последовательно распределения потоков трафика всех классов обслуживания с простым суммированием всех потоков на звеньях сети с последующим увеличением общей суммы потоков согласно системе (2) на 25% для обеспечения средней загрузки каждого звена не более, чем на 80%
Заключение
Использование в современных сетях NGN широкополосных каналов со скоростью от 10 Гбит/с позволяет обеспечить требования по времени задержки трафика класса real time даже при высоких загрузках каналов этжд трафиком (до 80%). Однако все же рекомендуется обслуживать этот трафик в приоритетной очереди, так как ее использование позволяет сглаживать влияние самоподобного трафика передачи данных, обслуживаемого с нижним приоритетом, на обслуживание трафика real time.
Литература
1. Михайлов С.К., Сергеева Т.П. Оценка времени задержки телефонного трафика в зависимости от количества приоритетов в очереди и от распределения времени обслуживания трафика нижних приоритетов: Тез. докл. Технологии информационного общества науч. конф. - М.: МТУСИ, 2010.
111
