Некоммерческое акционерное общество

Алматинский институт энергетики и связи

Кафедра телекоммуникационных систем

IP-телефония и видеосвязь:

Методические указания к выполнению расчетно- графической работы

для студентов всех форм обучения специальности

050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Алматы 2007

СОСТАВИТЕЛЬ: Г.С. Казиева. IP-телефония и видеосвязь:

Методические указания к выполнению расчетно- графической работы, для студентов всех форм обучения для специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. Алматы: АИЭС, 2006. – 20с.

Методические указания содержат задания к расчетно-графической работе , требования по оформлению и выполнению работы, исходные данные на 100 вариантов, а также методические указания по выполнению работы и список рекомендуемой литературы.

Ил.9, табл. 3, библиогр. – 5 назв.

Рецензент: канд. техн. наук. доц. каф «АЭС» К.Х. Туманбаева

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2006 год.

1 Общие методические указания по курсу

Дисциплина «IP-телефония и видеосвязь» изучается на 3 курсе студентами – бакалаврами всех форм обучения специальности 05071 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

По курсу читаются лекции, выполняются расчетно-графические работы, лабораторные работы.

Целью курса « IP-телефония и видеосвязь» является изучение основных методов расчета каналов связи.

Для освоения курса необходимо знать основные положения некоторых разделов математики, физики, теории электрической связи

1.2 Выбор варианта

Задания на расчетно-графическую работу включают в себя 100 вариантов. Номер варианта выбирается в соответствии с двумя последними цифрами номера зачетной книжки.

1.3 Требования к оформлению.

Рассчитать расчетно-графическую работу и распечатать ее на компьютере. Работа выполняется на листах белой бумаги формата А4.

Каждый студент выполняет три задачи

Результаты должны быть четко обоснованы и иметь соответствующие пояснения.

Титульный лист оформляется в соответствии с правилами оформления расчетно-графических работ.

2 Задания на расчетно-графическую работу.

.Задача 1

Провести расчет степени использования канала. Оценить скорость передачи информации для заданного числа компьютеров

Варианты исходных данных для расчетов задаются преподавателем по таблицам 1,2.

Т а б л и ц а1. Исходные данные к задаче

Последняя цифра номера студенческой зачетной книжки	1	2		3		4		5		6		7		8		9		0
L_min	512	128		256		384		512		256		128		384		128		256
L_max	12000		11488		976		10848		9952		10080		11360		11232		11104		10848
N_комп	4		2		10		11		15		3		5		8		6		9
m ·10⁶ (бит/сек)	128		1000		100		100		512		256		128		100		512		128

Т а б л и ц а 2 Исходные данные к задаче

Предпоследняя цифра номера студенческой зачетной книжки	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
L_сл	18	18	18	18	18	18	18	18	18	18
L_инф	48	48	48	48	48	48	48	48	48	48
t	0,018	0,021	0,013	0,08	0,04	0,05	0,07	0,10	0,015	0,020
V_канала	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000

Здесь

L _{и мин} – минимальная длина информационной части пакета;

L_{и макс} – максимальная длина информационной части пакета;

L_сл – длина служебной информации в кадре, байт;

L_инф – информационная часть кадра, байт;

q – скорость передачи информации, Мбит/сек;

t – время передачи, час;

T – продолжительность рабочего дня, сек;

V_канала – скорость обмена информации в канале, Мбит/сек;

F_проп = 8 – полоса пропускания для обеспечения оптимального качества, Кбит/сек.

Провести расчет степени использования канала, применив MATHCAD или другую программу.

По результатам расчетов построить следующие графики : зависимость объема передаваемой информации от полосы пропускания канала;

-зависимость числа передаваемых кадров от объема передаваемой информации;

-зависимость скорости обслуживания кадров от общей длины кадра;

-зависимость степени использования канала связи от скорости обслуживания и скорости поступления кадров, объема передаваемой информации;

-зависимость среднего числа кадров, одновременно находящихся в системе от скорости обслуживания и от объема передаваемой информации.

Проверить вероятности отсутствия кадров в канале в зависимости от скорости облуживания.

Ниже приведен пример листинга расчетов в программе MathCAD.

Сделать выводы.

Методические указания к задаче 1

Объем передаваемой информации в байтах.

Общая длина кадра:

Число передаваемых кадров

Скорость поступления кадров

Время обслуживания одного кадра

Скорость обслуживания

Степень использования канала связи

Вероятность отсутствия кадров в канале

Среднее число кадров, одновременно находящихся в системе

Число кадров ожидающих обслуживания

Среднее время нахождения кадра в системе

Время ожидания в очереди

Время передачи по каналу связи

Обработка результатов

По результатам расчетов необходимо оценить параметры ,входящие в состав данной системы

1. Интенсивность поступления кадров:

2. Перевод пакетов в биты

3. Коэффициент использования

4. Стационарная вероятность пребывания в системе:

Здесь

- стационарная вероятность пребывания n требований в системе;

- интенсивность поступления требований (величина, обратная среднему интервалу времени между моментами поступления);

- скорость обслуживания (величина, обратная среднему времени обслуживания);

- среднее число требований в системе;

- среднее число требований, ожидающих в очереди;

- среднее время пребывания требований в системе;

- среднее время, которое требование ожидает в очереди;

N_комп - количество компьютеров;

L_{кадра,
мин} – минимальная длина кадра, бит;

L_{кадра,
макс} –максимальная длина кадра, бит;

V_пост.– скорость поступления кадров от каждой машины, кадров/сек..

Задача 2

Составить математическую модель эффекта туннелирования в MPLS, которая представляет собой сеть массового обслуживания с последовательными очередями.

Определить

- время пребывания пакета в туннеле из N узлов V₁ (N);

-время V₂(N) пребывания пакета в LSP - пути сети MPLS из N узлов (маршрутизаторов) без организации LSР – туннеля для различных нагрузок ρ₁, ρ₂, ρ₃, обслуживаемых узлом LSP-маршрута.

Построить виртуальный тракт LSP, коммутируемый по меткам.

Построить графики по результатам расчетов при различных ρ.

Провести расчет математической модели эффекта туннелирования в MPLS , применив MATHCAD или другую программу.

На основе результатов расчета сравнить различные варианты и сделать выводы о возможности организации туннеля между первым узлом и узлом N.

В контексте поставленной задачи поиска стратегии принятия решения об организации LSP- туннеля для оценки альтернативного варианта суммарного времени V₂(N) пребывания пакета в LSP- пути без туннеля допустимо использовать В-формулу Эрланга в качестве адекватной оценки, позволяющей произвести сравнение с V₁ (N).

Само по себе решение об организации LSР- туннеля согласно предложенному здесь алгоритму сводится к анализу двух (с туннелем и без туннеля) значений среднего совокупного времени пребывания пакета в узлах от 1 до узла N.

Здесь:

-интенсивность входного потока заявок.

-среднее время обслуживания в системе М/М/m в стационарных условиях

нагрузка, обслуживаемая узлом LSР- маршрута.

m- поправочный коэффициент

Т а б л и ц а 3

Первая буква фамилии	А, Б,О,П	В,ГЧУ	ДЖХ	ЗИЫ	УЛЦ	ЛМЙ	НРШ	СТЩ	ФЭ	ЮЯ
число маршрутизаторов N	10	15	25	45	50	100	30	70	60	80
Последняя цифра номера студенческой зачетной книжки	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
ρ₁	0,60	0,75	0,65	0,70	0,75	0,60	0,65	0,75	0,65	0,75
ρ₂	0,70	0,85	0,70	0,80	0,85	0,70	0,70	0,85	0,70	0,85
ρ₂	0,80	0,9	0,85	0,90	0,95	0,80	0,85	0,95	0,85	0,95
Предпоследняя цифра номера студенческой зачетной книжки	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
, с^-1	900	800	1000	750	840	1100	850	900	700	760
m	1,02	1,03	1,08	1,05	1,04	1,06	1,02	1,06	1,02	1,09

LER-( Label edge router (краевой маршрутизатор меток)- маршрутизатор, инициирующий LSP в сети MPLS

LSP- Label switched path (коммутируемый посредством меток маршрут)- обеспечиваемый между двумя маршрутизаторами поток пакетов MPLS ( маршрут). В общих чертах LSP аналогичны каналам в технологии АТМ и Frame Relay.

LSR- Label switched router ( маршрутизатор с коммутацией меток)-один из маршутизаторов MPLS ,устанавливаемый между LER,обеспечивающий создание LSP.

Методические указания к задаче2

Алгоритм туннелирования в сети MPLS

Основное отличие технологии MPLS – IP- маршрутизаторы анализируют заголовок каждого пакета, чтобы выбрать направление для его пересылки к следующему маршрутизатору, в технологии MPLS заголовок анализируется только один раз на входе в сеть, после чего устанавливается соответствие между пакетом и потоком.

Принцип коммутации MPLS основывается на обмене меток. Любой передаваемый пакет ассоциируется с тем или иным классом сетевого уровня FEC (Forwarding Equivalence Class), каждый из которых идентифицируется определенной меткой. Значение метки уникально лишь для участка пути между соседними узлами сети MPLS, которые называются также маршрутизаторами, коммутирующими по меткам LSR (Label Switching Router). На рисунке 1 пограничный маршрутизатор LSR1 - входной, а LSR4 -выходной маршрутизатор. Последовательность маршрутизаторов (LSR1,..., LSR4), через которые проходят пакеты, принадлежащие одному FEC, образует виртуальный тракт LSP, коммутируемый по меткам, LSP (Label Switching Path).

Таким образом, главная особенность MPLS - отделение процесса коммутации пакета от анализа IР - адресов в его заголовке, что открывает ряд возможностей.

Рисунок.1

Существует еще одно весьма важное достоинство MPLS – возможность в рамках архитектуры MPLS вместе с пакетом передавать не одну метку, а стек меток.

Операции добавления/изъятия метки определены как операции на стеке (push/pop). Результат коммутации задает лишь верхняя метка стека, нижние же передаются прозрачно до операции изъятия верхней. Такой подход позволяет создавать иерархию потоков в сети MPLS и организовывать туннельные передачи.

Речь идет о возможности управления в MPLS всем трактом передачи пакета без специфицирования в явном виде промежуточных маршрутизаторов. Это достигается путем создания туннелей через промежуточные маршрутизаторы, которые могут охватывать несколько сетевых сегментов, как это изображено на рисунке 1

Все пограничные маршрутизаторы MPLS (LER1, LER2, LER3 и LER4) используют протокол BGP и создают коммутируемый по меткам тракт LSP между ними (LSP1). LER1 знает о том, что его следующий пункт назначения - LER2, поскольку он передает данные от отправителя, которые должны пройти через два сегмента сети. В свою очередь, LER3 знает о том, что его следующий пункт назначения - LER4, и т.д. Эти пограничные четыре LER будут использовать протокол LDP для получения и хранения меток от выходного LER (LER4 в данном сценарии) вплоть до входного LER (LER1).

Рисунок 2

Однако для того ,чтобы данные были переданы от LER1 к LER2, они должны пройти через несколько (в данном случае три) транзитных маршрутизаторов LSR. Таким образом, между двумя LER (LER1 и LER2) создается отдельный тракт LSP (LSP2) (рис.2) , который охватывает LSR1, LSR2 и LSR3. Он, в сущности, представляет собой туннель между этими двумя LER. Метки в этом тракте отличаются от меток, которые LER создали для LSPl.

Рисунок 3

Это справедливо и для LER3 и LER4, равно как и для LSR, находящихся между ними. Для этого последнего сегмента создается тракт LSP3. Для достижения этого результата, при передаче пакета через два сетевых сегмента используется концепция стека меток. Поскольку пакет должен следовать через LSP1, LSP2 и LSP3, он будет переносить одновременно две отдельные метки. Пары, используемые для каждого сегмента, следующие: для первого сегмента - метка для LSP1 и LSP2, для второго сегмента - метка для LSP1 и LSP3.

Когда пакет покидает первую сеть и принимается пограничным маршрутизатором LER2 (рис.3), тот удаляет метку для LSP2 и заменяет её на метку для LSP3, заменяя при этом метку LSP1 внутри пакета на метку следующей пересылки. LER4 удаляет обе метки перед отправкой пакета адресату.

Математическая модель эффекта туннелирования в MPLS представляет собой сеть массового обслуживания с последовательными очередями.

Оцениваемыми параметрами являются:

среднее время обслуживания без прерывания (период занятости) и среднее время пребывания пакета в n-м узле. Обслуживаемые за период занятости (т.е. непрерывно, без освобождения) пакеты объединяются в группу на выходе узла и называются пачкой. Средняя длина такой пачки выражается числом пакетов. На вход граничного узла 1 поступает пуассоновский поток сообщений с интенсивностью входного потока заявок и средним временем обслуживания в системе М/М/m в стационарных условиях (при является также пуассоновским с той же интенсивностью . Но при последовательно соединенных очередях мы не можем рассматривать каждый узел независимо от других.

Если мы рассматриваем два следующих один за другим сообщения на узле n (n 2), интервал времени между поступлением этих двух сообщений зависит от времен поступления и обслуживания на предыдущих узлах.

Рисунок 4

Специфическое поведение первого узла (n = 1) очевидно и связано с тем, что сообщения поступают напрямую, не проходя через какой-либо узел. Специфика режима работы второго узла (n = 2) может рассматриваться как реальный источник пачек сообщений. Сложность поведения пакетов в нем обусловлена двумя явлениями:

а) сцеплением пачек, исходящих от первого узла;

б) фрагментацией этих же пачек.

Первое явление сцепления относится не только ко второму, но и к любому не первому узлу n (n 1) и связано с тем, первый пакет k - ой пачки догоняет на этом узле последний пакет (k - l) - ой пачки, и обе пачки – k - я и (k - 1)-я - соответствующим образом сцепляются, как это показано на рисунке 4Второе явление фрагментации, которое иллюстрирует рисунок 5, не столь очевидно и имеет место только во втором узле, но тоже вполне наглядно. Пусть в первом узле обслуживается пакет номер j из пачки k и в этот момент на тот же первый узел поступает следующий пакет номер j + 1, время обслуживания которого превышает время обслуживания пакета j. Пусть на следующем втором узле в этот момент нет очереди, и пакет j обслуживается, как только он поступает на узел 2, пакеты j + 1 и j начинают обслуживаться одновременно на узлах 1 и 2, соответственно. Когда пакет j затем покидает узел 2, пакет j+1 всё ещё продолжает обрабатываться на узле 1, поскольку время его обслуживания дольше.

Рисунок 5

Математический анализ этих двух явлений эффекта туннелирования MPLS позволяет вывести следующую формулу для времени пребывания пакета в туннеле из N узлов:

, (1)

где - постоянная Эйлера (),

N > 2.

Формула (1) позволяет рассчитать целесообразность организации туннеля в LSP для индивидуальных пар «исходящий узел - узел назначения» при заданных загрузке сети р и нормативах качества обслуживания. С ее помощью дается можно показать, что отдельные туннелированные LSP в наиболее реалистических случаях, вероятно, должны являться предпочтительным режимом работы.

Рассмотрим маршрут в МРLS - сети, который состоит из N узлов и физических каналов передачи данных между ними. Маршрут соответствует трем объектам: LSR_и (LSR источника), LSR_н (LSR назначения) и классом обслуживания трафика, передачи.

Пусть -прежнему означает число запросов, а 1/ означает усредненное время определяемым допустимым временем интенсивности пуассоновского потока обслуживания сообщений в узле. Соответственно, означает нагрузку, обслуживаемую узлом LSР- маршрута. Обслуживание же этой нагрузки узлами, входящими в данный LSP- маршрут, и является основной работой данного фрагмента сети MPLS.

На рисунке 6 представлены оба варианта передачи сообщений при наличии или при отсутствии LSP- туннеля. В первом случае суммарное время пребывания пакета в сети равно V₁ (N), а во втором случае время пребывания того же пакета в сети равно V₂(N). Для аналитического исследования ситуации отсутствия LSР- туннеля узел n, передающий пакеты по LSP, целесообразно описать с помощью модели M/M/1/K со скоростью передачи пакетов в секунду и максимальным числом k пакетов, и которое он может хранить в своей буферной памяти. Пакеты в этой модели являются теми же самыми, что в случае организации туннеля, а ограничение на размер буфера выбрано так, чтобы условия в вариантах наличия или отсутствия туннеля были бы абсолютно одинаковы.

Рисунок 6

Инженерные различия между MPLS и традиционным туннелированием состоит в модели топологии MPLS. Традиционные туннели всегда проходят от одной границы до другой насквозь через сеть. В случае MPLS туннели могут создаваться внутри сети для управления трафиком только в части сети .т.е в LSP из М маршрутизаторов от входящего LSR₁ до исходящего LSR_m можно создать LSP-туннель, например, от входящего LSR₅ до исходящего LSR_n, при N<M. Т.е. даже создаваемые на короткое время LSР - туннели в MPLS могут начинаться внутри сети, а не из пользовательского приложения на границе сети. Это особенно важно для практического применения представленной модели: пользователи будут продолжать применять обычные IР- пакеты и адресацию в своих приложениях и даже в локальных сетях.

Эффект от организации туннеля, равен разности V₁ и V₂. При этих предположениях предлагается следующий алгоритм:

Шаг 1. Полагается N = М.

Шаг 2. Для n = 1,2, ..., N определяются величины размера пачки в K_n по формуле

. (2)

Шаг 3. Определяется время V₂(N) пребывания пакета в LSP - пути сети MPLS из N узлов (маршрутизаторов) без организации LSР - туннеля при наличии ограниченной очереди к узлу n длиной K_n по формуле

_. (3)

Шаг 4. Определяется время V₁(N) пребывания пакета в LSР - туннеле из N узлов по формуле (1)

Рисунок 7

Шаг 5. Сравниваются величины V₁(N) и V₂(N). При положительной разнице V₁(N) и V₂(N) организация туннеля между первым узлом и узлом N не представляется целесообразной. В противном случае принимается решение организовать туннель между первым узлом и узлом n, и работа алгоритма завершается.

Рисунок 8

Рисунок 9

Данный алгоритм позволяет выбрать эффективный LSР - туннель где-то внутри фрагмента сети MPLS из М узлов (маршрутизаторов) или отказаться от данных попыток. Само по себе решение об организации LSР- туннеля согласно предложенному здесь алгоритму сводится к анализу двух (с туннелем и без туннеля) значений среднего совокупного времени пребывания пакета в узлах от 1 до узла N. Этот последний узел N «подозревается» на предмет того, что он может быть граничным исходящим узлом LSP- туннеля. Справедливость этого подозрения и проверяется сравнением V₂ и V₁.Сеть включает 50 узлов, соединяемых LSP, через которые можно создавать LSP- туннели. Сеть содержит 1225 пар источник-назначение. Все буферы имеют размеры k пакетов.

Выигрыш во времени от организации туннеля равен разности V₁ и V₂. Нагрузка на LSP колеблется в диапазоне от р = 0,75 до р = 0,85. Результаты расчетов представлены на рисунках 7-9

На этих рисунках видно, что при р = 0,75 эффективна организация туннеля при N 14, для р = 0,8 при N 25, а при р = 0,85 эффективна организация туннеля во всем LSP- пути, т.е. при N 50.

Cписок использованных источников

1. Будников В.Ю., Пономарев Б.А. Технологии обеспечения качества обслуживания в мультисервисных сетях / Вестник связи.- 2000.- №9.

2. Варакин Л. Телекоммуникационный феномен России / Вестник связи International.- 1999.- №4.

5. Варламова Е. IP-телефония в России / Connect! Мир связи.- 1999.- №9.

3 Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи.-т. 1.- М.: Радио

и связь, 1998.

4 Гольдштейн Б.С., Ехриель И.М., Рерле Р.Д. Интеллектуальные сети.- М.: Радио и связь, 2000.

5. Кузнецов А.Е., Пинчук А. В., Суховицкий А.Л. Построение сетей IP-телефонии / Компьютерная телефония.- 2000.- №6.

Содержание

Общие методические указания по курсу_________________________

Методические указания к задаче 1_____________________________

Методические указания к задаче2____________________________

Cписок использованных источников____________________________

Блок –схема для расчета времени организации туннеля