Принципы построения цифровых сетей интегрального обслуживания

Лекция 5.

Принципы построения цифровых сетей интегрального обслуживания

 

Вопросы лекции:

1. Архитектура узлов  управления и коммутации ISDN.

2. Пакеты в ISDN.

3. Оценка эффективности  сетей

 

 

1. Архитектура  узлов управления и коммутации ISDN

Узел коммутации СИО должен выполнять все функции транспортной сети согласно концепции АОС, т. е. содержать функциональные модули, соответствующие всем четырем уровням транспортной сети.

Общее число состояний, в котором может находиться УК, определяется текущим состоянием коммутационной системы (КСт), буферов пакетов и текущими запросами и является достаточно большим.

Организация транспортной сети в рамках одного УК (с использованием A-схем) показана на рис. 1. Данная структурная схема соответствует концепции централизованного управления объектами открытых систем в пределах одного уровня, так как один блок управления интерфейсом связывается со всеми объектами соединяющихся уровней, что является отступлением от принципов АОС, это вызвано необходимостью производить регулярные оценки состояния уровня на базе достаточно полной информации, отсутствием известных разработанных распределенных алгоритмов, которые позволили бы избежать централизации по управлению в пределах уровня, а также неидеальной реализацией границ между уровнями по принципу «общая шина».

На рис. 1 приняты следующие обозначения: УУ — устройство управления; ГЛК— группа логических каналов; A^к — A-схема (автомат) канального уровня для организации различных типов ИК (служебного — для сигнализации по общему каналу, КК — без возможности уплотнения коммутируемых каналов, КП — для реализации адаптивной коммутации); А^с — автоматы для организации различных типов логических каналов. Интерфейсы на рисунке выполняют функции коммутаторов интерфейсных блоков.

Структурная схема коммутатора интерфейсных блоков на базе общей шины показана на рис. 2. Общая шина является информационной магистралью двустороннего обмена интерфейсными блоками — от канального к сетевому уровню и от сетевого к канальному уровню в режиме разделения времени. Шина состоит из трех основных магистралей: данных, адресов и управления. Магистраль адресов делится на подмагистраль адресов

нижнего уровня (в нашем примере канального) и подмагистраль верхнего уровня (сетевого). Запись в шину (считывание с нее) производится из буферов (в буферы) соответствующих автоматов. Управление информационным обменом по общей шине осуществляется двумя процессорами (устройствами управления), один из которых работает в режиме горячего резервирования для повышения надежности.

Интерфейс между физическим и канальным уровнями вместе с  пространственным коммутатором является коммутационной системой УК (см. рис. 8.1). Для создания коммутационных систем, рассчитанных на несколько сотен и более абонентов, используются различные пространственно-временные структуры. Для реализации принципа пакетной коммутации на выходе УК необходимо включить буферный накопитель для синхронизации; в этом случае обычно применяются структуры «время—пространство—время»   или   «время—пространство».

Каждая группа входных буферов содержит по одному 128-разрядному регистру памяти на каждый временной интервал из группы входных каналов, соответствующей данной группе буферов. Так как в системе ИКМ-30 на каждые 15 временных каналов по 64 кбит/с приходится один служебный канал, то в группе буферов предусматриваются и буферы для служебных каналов (два для группы ИКМ-30). Информация из этих служебных буферов поступает во входной процессор, который переправляет ее к блокам управления межуровневыми интерфейсами.

Блок управления КСт  на базе информации, поступающей из входного процессора, канального уровня и самой КСт, устанавливает или разъединяет соединительные пути между точками входа и выхода. Для этой цели в нем непрерывно обновляется таблица входов и выходов. Вместо номера выходной группы в слу-

чает виртуального соединения в соответствующей графе  таблицы может находиться символ буфера ij, который означает, что пакет из входного буфера ij (i — номер входной группы, j — номер канала в группе) длиной 128 бит пересылается в буфер пакетов под номером kl.

Каждой паре «входная группа—выходная группа» сопоставляется поддерживающий ее программный модуль — автомат физического уровня. По состоянию автоматов физического уровня можно судить о наличии и состоянии его ресурсов: пропускных способностях выходных трактов, исправности и загруженности коммутаторов, сбоях и прерываниях в оборудовании передачи и коммутации. Программная структура физического уровня является относительно постоянной, и ресурсы, которые выделяются автоматами физического уровня, фиксированы.

Рассмотрим возможные  состояния, в которых могут находиться физический, канальный и сетевой уровни с точки зрения процессов коммутации.

Физический уровень  может находиться в состояниях Ф = {φ₁ ,…, φ₇} определяемых перечисленными ниже переменными. К ним относятся φ₁ — количество исходящих каналов; φ₂ — среднее число скоммутированных каналов за интервал времени t_φ,; φ₃ - среднее число запросов на коммутацию за интервал времени t_φ; φ₄ — среднее число отказов КСт за интервал времени t_Ф (все средние значения определяются но методу скользящего среднего); φ₅ --- допустимое число скоммутированных каналов; φ₆ — допустимое число запросов; φ₇ — допустимое число отказов, причем  φ₅ < φ₁,   φ₆ < φ₇.

Таким   образом,   можем   выделить   следующие   состояния:

φ₁: φ₂<< φ₁ , φ₃ <<φ₁ , φ₄ <φ₇ ; φ₂ : φ₂ <<φ₁ , φ₄ φ₇ (перегрузка КСт из-за большой активности пакетного уровня); φ₃ : φ₃ φ₁ , φ₄ φ₇ (перегрузка КСт из-за большого количества скоммутированных каналов); φ₄ : φ₂ φ₅ , φ₃ φ₆ , φ₄ φ₇ (общая перегрузка  КСт).

Канальный уровень (точнее информационный канал) может находиться в состояниях X = {x₁, …, x₅} определяемых следующими переменными состояния: k₁ — число запросов на формирование Л К (общее), k₂ — число запросов на формирование каналов типа КК; k’₂ -запрашиваемое количество стандартных каналов; k₃ — число запросов на формирование каналов типа БКК; k^’₃ - запрашиваемое количество стандартных каналов; k₄ — число запросов на формирование каналов типа КП, в том числе k’₄— каналов типа КП; k’’₄ — каналов типа КС и k’’’₄ — каналов типа ДГ, к₄ =k’₄ + k’’₄ + k’’’₄ ; k₅ — число запросов на формирование ЛК для передачи файлов данных; k'₅ — запрашиваемое количество стандартных каналов; k₆ — число запросов на формирование Л К для передачи видеофайлов; k₇ — число запросов на постоянные каналы; k₈ — число ЛК, поддерживаемых узлом; k₉ — число непустых буферов пакетов; k_l0 — длина максимальной очереди в буферах пакетов; k₁₁ — максимальное число стандартных каналов, используемых в режимах КК и БКК; k₁₂ — минимальное число стандартных каналов, используемых в режиме КП, которые необходимы для организации общего канала сигнализации; k'₁₂ — число ЛК, организованных в общем канале сигнализации; k₁₃ — общее число стандартных каналов в ИК (пропускная способность ИК); k₁₄ — допустимая максимальная длина буфера данных; k₁₅ — наличие перегрузки в буфере данных; k₁₆ — число стандартных каналов, отведенных под постоянные каналы; k₁₇ — количество буферов, в которых зафиксировано переполнение; k₁₈ — число стандартных каналов, занятых в режиме КК; k_l9 — число стандартных каналов, соответствующих k₉; k₂₀ — число стандартных каналов, соответствующих k₄; k₂₁ — размер буфера данных; k₂₂ — число сообщений в буфере данных; k₂₃ — допустимая вероятность потерь; k₂₄ — текущая средняя вероятность потерь.

Состояния ИК можно охарактеризовать следующим образом: x₁ : k₂ = k₃₌ k₇₌0 (запросы на КК, БКК и ПК отсутствуют и все (k₁₃ — k₁₆) каналов используются в режиме КП); х₂: k₉ k'₁₂, k₂ + k₃ k₁₁ (большое число запросов на КК и БКК и сообщения в режиме КП, тогда число каналов, используемых в режиме КК, равно k₁₃ — k₁₆ — k₁₂); x₃ : k₂ > 0, k₁₆ > k₁₄, k₁₇ = 0 (большое число запросов на все режимы, сообщения в режиме КП заполняют паузы в сообщениях, передаваемых в режиме КК); x₄ : k₁₇ > О (перегрузка информационного канала из-за большого потока пакетов); x₅ : (k₁₃ — k₁₉ — k₂₀ — k₁₈ — k₁₆) > 0 (в КК имеются   незагруженные   стандартные   каналы).

Сетевой уровень может  находиться в состояниях π — { π₁ ,..., π₆ }, для которых характерны следующие переменные: п₁ = у — число стандартных каналов в ИК; п₂ — р_р — загрузка ИК трафиком речи: п₃ — р_д — загрузка ИК, создаваемая трафиком данных; n₄ = {nⁱ₄ } — константы для алгоритмов маршрутизации; 
n₅ = {пⁱ₅} — переменные таблиц маршрутизации; n₆ — число перегруженных информационных каналов; n₇ — число ИК, которое одновременно поддерживает УК; n₈ = n_р — число стандартных каналов для режима КК при перемещающейся границе. Интересующие нас состояния сетевого уровня характеризуются переменными n₁ , n₂, п₃, n₈ и определяются следующим образом: 
π ₁:( n₂ + n₃) > 1 (узел перегружен); π₂ : (n₂ + n₃) < 0,4; 
π ₃ : 0,4 < (n₂ + n₃) < 0,8; π₄: 0,8 < (n₂ + п₃) < 1, п₁п₂1п₈ η_Tasi;

π ₅ : 0,8 < (n₂ + п₃) < 1, η_Tasi п₁п₂1п₈ 1

π₆ : 0,8 < (п₂ + п₃) < 1,   п₁п₂1п₈ < 1.

Организация процесса обработки  пользовательской информации в УК предполагает на сетевом уровне повышение коэффициента использования оборудования р_УК и КСв р за счет распределения вызовов равномерно между ИК, что в случае небольшой связности УК может не дать нужного эффекта. На канальном уровне повышение р_УК   и р возможно и в УК относительно небольшой производительности, так как достигается за счет различных приемов уплотнения КСв и организации процесса обработки (главным образом коммутации) пользовательской информации в УК. От решения этих задач на канальном уровне зависит выбор стратегии и на сетевом уровне.

С точки зрения процессов  коммутации наиболее информативным является рассмотрение состояний УК, причем за основу принимаются состояния ИК- Учитывая состояния физического, канального и сетевого уровней, введем следующие обобщенные состояния УК N = {v_x, ..., v₁₀}. Для простоты предположим, что в сеть могут поступать следующие виды заявок (см. рис. 8.2): а₁= (a'₁₁ a'₃₁ a'₅₁), а₂ = {а'₁₃ а'₂₃ а'₃₃), а₃ = (a''₁₃   a''₃₄), а₄ = (a'''₁₅ a'''₂₅ а'''₃₅ a'''₄₅). Использование заявок, указанных в скобках,  оговаривается дополнительно.

Обобщенные состояния v_i определяются следующим образом:

Этим состояниям соответствует стохастическая матрица  вероятностей переходов между ними размерности 10x10, значения элементов которой важны для определения наиболее целесообразных направлений дальнейшей разработки УК и алгоритмов управления узлом.

В дальнейшем с целью  упрощения   будем   считать,   что   УК

 

 

находится в распоряжении только одной рассматриваемой вторичной сети, и созданные постоянные каналы не зависят от нее.

Матрица переходов между  состояниями имеет вид

Состояние v₁ является исходным и одновременно контрольным, так как в этом состоянии проводят процедуры тестирования и диагностики каналов и процессоров. Будем считать, что из v₁ возможен переход только в состояние v₉ («недогруженный узел»). Переход в v₁ возможен из любого другого состояния УК. Элементы матрицы || N || отвечают условию .

Каждому состоянию соответствует определенный алгоритм коммутации, позволяющий реализовать целевую функцию J_i, где i = — номер состояния УК при ограничениях типа — переменные информационных потоков (заявок); — параметры информационных потоков; и — соответствующие ограничения, принятые для n-го направления передачи; т — число видов поступающих заявок; {r₁, r₂, r₃, r₄} — ресурсы, т. е. буферы памяти, которые отводятся данному потоку в каждом уровне УК. Каждый алгоритм решает на каждом шаге (или модифицирует уже полученное решение) задачу целочисленного программирования.

Таким образом, рассмотрев функции, реализуемые УК СИО в  рамках транспортной сети, можно провести функциональное описание всех уровней транспортной сети, и на его основе — обобщенное функциональное описание УК с точки зрения процесса коммутации информационных блоков. Все это необходимо для синтеза эффективных с точки зрения выбранных критериев алгоритмов коммутации. Для перехода к решению задачи синтеза необходимо исследовать влияние внешней среды (переменных трафика и параметров конкретной СИО) на эффективность режимов коммутации. Вопросы синтеза таких алгоритмов уже были рассмотрены ранее.

 

3. Оценка эффективности сетей

Оценку эффективности  алгоритмов коммутации будем проводить по введенным выше вероятностно-временным характеристикам с учетом ограничений, накладываемых инструментальными средствами реализации этих алгоритмов в СИО. Поэтому для определенности примем следующие допущения. При анализе не будем рассматривать фазу установления соединения и ее влияние на загрузку КСв и на поведение УК в режимах наибольшего трафика. Как и ранее, основной исследуемой единицей выберем СПИн, т. е. «конечную последовательность данных, формируемую для передачи и имеющую законченное смысловое значение». Подданными в этом определении понимается любая передаваемая цифровая последовательность, в том числе и речевая.