Принципы построения цифровых сетей интегрального обслуживания

Общее время задержки СПИн при передаче от абонента к  абоненту по транспортному каналу определяется выражением

где dli — время задержки в i-м KCb; dni — время задержки из-за обработки в i-м УК; dm — время, затрачиваемое на местную обработку вне сети (аналого-цифровое или цифроаналоговое преобразование, время пакетирования и распаковки пакетов, время первичного кодирования или декодирования, время шифровки); N — число  УК,   через  которые  проходит транспортный канал.

В СИО каждое из слагаемых  времени задержки может оказаться  решающим при определении наиболее эффективного режима коммутации, так как, например, использование спутниковой связи и переменная топология сети приводят к заметному увеличению dli, которым зачастую исследователи пренебрегают.

Для проведения дальнейших исследований необходимо сделать предположение  о распределении времени задержки СПИн и его составляющих. В отличие от традиционной аппроксимации экспоненциальным распределением, воспользуемся распределением Парето, которое будет отражать факт наличия минимума времени обработки, обусловленного неидеальностью обслуживающих устройств. Плотность распределения случайной величины t_iсоставит

и соответственно математическое ожидание и дисперсия  равны

В общем случае все  величины t_i будем считать независимыми» а в особых случаях, когда это допущение неприемлемо (например, когда обработка выполняется одним и тем же физическим устройством в УК), эту возможность будем считать линейной. Т. е. если t_i и t_j независимы, то

Таким образом, будем  характеризовать общую задержку СПИн математическим ожиданием М [Т] — Т и среднеквадратическим отклонением        σ_t = =

Величины Т и от для данного конкретного значения сетевых параметров и переменных проектирования малоинформативны, вследствие чего необходимо использовать функциональные зависимости Т = (P, K, F) и σ_t (Р, K, F) во всем диапазоне допустимых значений этих параметров

, где Р — длина пакета; F = {F_1, ... ..., F_n} —параметр, определяющий конкретный формат кадра и пакета (п — общее число сочетаний форматов кадра и пакета); К — (H + I_k + Ф). Данные зависимости становятся более наглядными, если_учесть. что Р — Р (i, A_k), К = К (Р, F), F = F (А_к), где i — длина неизбыточного СПИн; А_к — алгоритм коммутации. В конечном итоге интересуют зависимости Т (i, A_k) и σ_t (i, A_k).   Форматы показаны на рис. 5.3 и 5.4.

Кривые на рис. 5.5—5.8 являются функциями D = Т = (i, n_n) и σ_t (i, n_n), где n_n — число транзитных УК, через которые передается СПИн. При проведении расчетов принималось, что i изменяется от 10 до 10⁴ октет, а n_n — от 1 до 10. Кроме того, в качестве исходных данных принято: К — 1168 бит; Р = 1024 бит; i_max = 8192 бит; l_зп = 128 бит; C_v - 64 Кбит/с; С_m = 2 Мбит/с; Н = 48 бит;  h = 80 бит;  φ= 8 бит;   c = 16 бит;    i = 16 бит.

На рис. 5.5—5.8 выделены зоны малых, средних и больших длин СПИн. На рис. 5.6 и 5.7 показаны области предпочтительного использования режимов коммутации с точки зрения задержки СПИн. Отмечены также зоны, в которых наилучшие результаты дает составной кадр.

Прежде чем комментировать полученные результаты, дадим оценку влияния режимов коммутации на коэффициент использования   КСв.

Основными факторами, которые  влияют на коэффициент использования КСв

ρ, являются алгоритм коммутации каналов,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

протокол канального уровня (алгоритм установления и поддержания информационного  канала), протокол сетевого уровня (алгоритм установления и поддержания логического соединения) протокол транспортного уровня (алгоритм управления потоками и маршрутизацией). Эти факторы учитываются посредством суммарных длин служебных пакетов и заголовков в информационных пакетах.

Введем величину   загрузки выходных КСв

где j — номер уровня; i_j — избыточная информация, вносимая протоколом j-го уровня на одно СПИн i_c. В общем случае i_j = i_j (λ, А_к, р), где А_к — алгоритм коммутации; р.— показатель помехоустойчивости КСв (вероятность искажения символа). Введем также величину : избыточности  передаваемой информации

где Ξ_j^п— избыточность, вносимая протоколом j-го уровня (маргинальная избыточность j-го уровня); Ξ₀ = 0.

Можно записать, что р_j == р_j-1 + p_эΞ^м_j-1, где р_э = λ/μ.

Эффективность протокола j-го уровня, с точки зрения избыточности, можно охарактеризовать величиной p_эΞ^п_j или p_эΞ_j.

При допущении, что процесс  функционирования КСв можно представить  в виде Q-схемы с очередью, на физическом уровне в простейшем случае будут иметь место соотношения: Ξ₀ = Ξ₀^м = 0. Например, в системе ИКМ-30 служебная информация передается по специальным каналам (№0 и 16) и при использовании протокола Х.21 Ξ₁ > 0. При этом р_1max < 1 так как всегда присутствуют неиспользуемые интервалы времени от конца предыдущего периода обслуживания до начала следующего, т. е. если скомму-тированы все выходные каналы (максимальная обслуживаемая нагрузка), то

где ν_рг/С = Ξ₁^м = Ξ₁, когда р_э р (произведение λl_рг выражает интенсивность возникновения моментов окончания обслуживания в абсолютных единицах); l_рг— длина регистров (в разрядах) временного коммутатора. Данный предел достижим при организации временной коммутации с резервированием каналов.

На этом уровне р₁ = р_э -  , где t_out — время поиска синхронизма; t_in — время нахождения системы в синхронизме.

Обозначим П^S и П^U удельную длину супервизорных и ненумерованных кадров соответственно, приходящуюся на одно СПИн. Расчетные значения случайных функций П^S (λ, А_К, р) и П^U (λ, A_k, р) можно определить на канальном уровне лишь экспериментально (будем считать их пренебрежимо малыми), т. е. > [(H + Ф)К* ]/i_c, а в случае многопакетной передачи (составного кадра) > (H + Ф + ni) К*/i_c, где n— число пакетов, упакованных в кадре.

В случае использования  ПКС данное выражение можно представить в виде   = (Н + Ф + nс) K*/i_c, где Ф — длина флага; ns — длина n контрольных последовательностей, которые одновременно выполняют функции индикаторов элементарных пакетов фиксированной длины (128 и 240 бит).

На сетевом уровне (Кh + П^с)/i_c, где К = K*n; П^с — удельная длина служебных пакетов, приходящаяся на одно СПИнi, причем П^с = П^с (λ, А_к, р) может быть определена только экспериментальным путем. Ее обязательно надо учитывать, так как обмен служебными пакетами происходит при нормальной передаче довольно часто, например, при каждом установлении и разъединении логического соединения, поэтому в дальнейшем будем принимать П^с = λλ_ВЫХ (l_п.з + l_п.с). что является нижней границей значений функции П^с. Здесь λ_вых - интенсивность поступления заявок на установление виртуальных соединений λ_ВЫХ<<λ ;\; l_п.з и l_п.с — длины пакетов запроса и подтверждения виртуального соединения соответственно.

Тогда

В случае передачи пакетов  в виртуальном соединении заголовки h' намного короче датаграммных заголовков h, при КС К* = 1, а при ПКС данная формула имеет вид

Коэффициент К* является целым числом и определяется как

К* = ;  предполагается",  что в кадре точно п пакетов.

На транспортном уровне оценка избыточности наиболее сложна в связи с тем, что она полностью зависит от используемых алгоритмов управления маршрутизацией,  коммутацией  и  ограничением потоков, чувствительна к структуре СИО и особенностям аппаратно-программной реализации УК. Значения могут быть очень большими и поэтому проведение экспериментов с целью их уточнения является обязательным при разработке и проектировании протоколов обмена информацией в СИО.

Определив избыточность на первых трех уровнях, при известной общей загрузке КСв р 1, можно найти и , решая систему уравнений

Эффективность алгоритмов коммутации, с точки зрения загрузки КСв, имеет два аспекта: первый связан с уменьшением избыточности информации, вносимой протоколами различных уровней, а второй — с возможностью оперативного уплотнения КСв, т. е. уплотнения при ограничениях на задержку передаваемых СПИн. Сравнение режимов коммутации в первом аспекте приведено на рис. 5.9, а во втором — на рис. 5.10 для данных и на рис. 5.11 для речи, где показаны зависимости р_эmax (i_c,λ) без случая КС, при которой задержка слишком велика. При расчетах величин Ξ, р и р_э использовались следующие исходные данные: К = 8000 бит, P = 1000 бит, h = 96 бит, h’ = 36 бит, Ф =  16 бит, с =8 бит. Значения функции р_эmax (i_c, λ) определяются путем решения системы уравнений (5.2) при ограничениях р 1 и р_э р_сп, где значение р сп определяется спецификой трафика и режимом коммутации.

На базе полученных в  данном параграфе результатов можно  сделать следующие выводы. Операция резервирования в случае использования  режима КК вызывает уменьшение общей производительности сети за счет неполного использования пропускной способности КСв. Поэтому при большом трафике, особенно для малых и средних длин, передаваемых СПИн, режим КК не является приемлемым.

Для больших длин СПИн и длинных транспортных каналов при слабом использовании каналов К К дает лучшие результаты по сравнению с КС и КП, так как обеспечивает меньшую задержку и приблизительно такое же время установления соединения. При фиксированной пропускной способности магистрали очень важной является операция выбора числа каналов по направлениям в режиме КК. При их малом числе СИО быстро доходит до состояния насыщения, когда происходит резкое возрастание времени установления соединения. В противном случае возможно увеличение задержки за счет возрастания длин транспортных каналов и числа транзитных УК.

Использование режима КП позволяет получить меньшую среднюю задержку, чем при режиме КС для малых и средних нагрузок λ. При росте λ и малых значениях i_с задержка при КП может оказаться больше, чем при КС, возрастает также вероятность перегрузки (снижается коэффициент использования КСв р). В этих условиях хорошо работает коммутация датаграмм, но тогда необходим механизм предотвращения деградации сети.

Выбор метода коммутации по критерию производительности УК зависит от длины сообщения i_с: для малых i_c лучше КП или КС, для более длинных — КК Хорошим компромиссом в критических режимах является метод ПКС, однако коэффициент использования КСв всегда ниже, чем при КС и КП,

Выбор режима коммутации в УК должен основываться на расчете параметров передачи и коммутации в зависимости от текущего состояния сети, природы передаваемой информации, распределения длин пустых периодов и длин СПИн.

В итоге нужно подчеркнуть, что выбор одного показателя применимости режимов коммутации не представляется возможным. Для решения этой задачи надо исходить из возможных состояний УК, которым соответствуют целевые функции J_i. Пусть — значения J_i при использовании К-го режима коммутации; тогда целесообразно применить режим коммутации, обеспечивающий sup { , , ..., ], где i = — индексы режимов коммутации. Таким образом, для построения СИО необходимо разработать методы и алгоритмы гибридной и адаптивной коммутации.