Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра телекоммуникационных систем

IP-ТЕЛЕФОНИЯ И ВИДЕОСВЯЗЬ

Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Алматы 2011

СОСТАВИТЕЛЬ: Г.С.Казиева, Е.В.Ползик. IP-телефония и видеосвязь: Методические указания к выполнению курсовой работы, для студентов всех форм обучения для специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. Алматы: АУЭС, 2011. –32 с.

Методические указания содержат задания к курсовой работе, требования по оформлению и выполнению работы, исходные данные на 100 вариантов, а также методические указания по выполнению работы и список рекомендуемой литературы. Перед выполнением курсового проекта студент должен повторить некоторые разделы, представленные в подготовке к работе. В работе приведены справочные данные (характеристики современных систем передачи), представлен список используемой литературы.

Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

Ил. 15 , табл.7, библиогр. - 7 назв.

Рецензент: канд. техн. наук. доц. К.Х. Туманбаева.

Печатается по плану издания НАО «Алматинский университет энергетики и связи» на 2011 год.

Содержание

Введение	4
1 Общие методические указания по курсу	4
1.1 Выбор варианта	4
1.2 Требования к оформлению	5
2 Задания к выполнению курсовой работы	5
2.1 Задание №1	5
2.1.1Провести расчёт производительности узла доступа с учётом	5
2.1.2 Методические указания к выполнению курсовой работы	7
2.1.3 Расчёт числа пакетов от первой группы (телефония)	11
2.1.4 Расчёт числа пакетов от второй группы (телефония и интернет)	13
2.1.5 Расчёт числа пакетов от третьей группы абонентов (triple play)	14
2.1.6 Требования к производительности мультисервисного узла доступа	15
2.2 Задание №2	17
2.2.1 Расчетная часть	17
2.2.2 Методические указания к выполнению задания 2	17
3 Задание №3	22
3.1 Расчетная часть	22
3.2 Методические указания к выполнению задания 3	23

Введение

Курсовой проект по дисциплине «IP-телефония и видеосвязь» выполняется студентами, обучающимися по специальности 5В071900 «Радиотехника, электроника и телекоммуникации».

Дисциплина «IP-телефония и видеосвязь» изучается студентами на восьмом семестре, по окончании курса сдается экзамен. В методическом указании приводятся порядок выполнения, необходимые справочные данные, методика расчета основных параметров.

Каждый студент выполняет курсовой проект по индивидуальным исходным данным. Настоящие методические указания (МУ) имеют цель: закрепить и углубить знания, полученные на лекциях; привить студентам практические навыки самостоятельной работы со справочниками и нормативными документами; выработать у студентов творческое мышление и навыки по выбору рациональных вариантов построения магистральных сетей; изучить круг проблем, встречающихся при реальном проектировании.

По курсу читаются лекции, выполняется курсовая работа, лабораторные работы.

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

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

1 Общие методические указания по курсу

Дисциплина «IP-телефония и видеосвязь» изучается на 3 курсе студентами – бакалаврами всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

По курсу читаются лекции, выполняется курсовая работа, лабораторные работы.

1.1 Выбор варианта

Задания к курсовой работе включают в себя 100 вариантов. Номер варианта выбирается в соответствии с двумя последними цифрами номера зачетной книжки.

1.2 Требования к оформлению

Текст пояснительной записки к курсовой работе следует разбить на разделы, снабдить заголовками. Содержание пояснительной записки должно быть изложено разборчивым почерком или напечатано, без сокращений. Нумерация от титульного листа, но на титульном листе номер страницы не указывается.

Все рисунки и таблицы нумеруются и на них должны быть ссылки в тексте. Решение задачи сопровождается краткими пояснениями. Результаты анализируются и четко обосновываются.

Титульный лист оформляется в соответствии с правилами оформления курсовых работ.

Курсовой проект выполняется по индивидуальному заданию и оформляется в виде пояснительной записки (ПЗ), отвечающей по ее оформлению требованиям стандартизации, метрологии и сертификации. Выбор конкретных решений следует обосновывать технико-экономическими соображениями в соответствии с данным вариантом. В ПЗ не должно быть изложения общих положений и норм проектирования, текстовый материал следует излагать конкретно и четко.

ПЗ должна быть иллюстрирована всеми необходимыми схемами, рисунками и чертежами, поясняющими выбор тех или иных принятых в проекте решений. При этом обязательны ссылки на используемую литературу, из которой заимствованы выбранные решения. Схемы, рисунки и чертежи оформляются на листах тех же форматов, что и ПЗ, или на листах кальки, миллиметровой бумаги того же формата.

При выполнении расчетов в ПЗ должна быть приведена в общем виде расчетная формула с расшифровкой всех входящих в нее буквенных обозначений и ссылкой на литературу, из которой взята эта расчетная формула или входящие в нее исходные данные. Для одной исходной величины или частоты расчет следует привести подробно, а при других частотах или исходных значениях результаты расчета заносятся в таблицы. Результаты расчета оформляются в виде таблиц и графиков и сопровождаются выводами и анализом полученных результатов.

Курсовой проект должен иметь титульный лист, оглавление, индивидуальное задание, основную часть, заключение и список литературы, а также содержать графическую часть.

2 Задания к выполнению курсовой работы

2.1 Задание №1

2.1.1 Провести расчёт производительности узла доступа с учётом структуры нагрузки поступающей от абонентов, пользующихся различными видами услуг.

а) сделать расчёт числа пакетов от первой группы (телефония);

б) провести расчёт числа пакетов от второй группы (телефония и интернет);

в) сделать расчёт числа пакетов от третьей группы абонентов (triple play);

г) оценить требования к производительности маршрутизатора, агрегирующего трафик мультисервисной сети доступа NGN;

д) сделать выводы.

Исходные данные для расчета приведены в таблицах 1,2,3,4.

Т а б л и ц а 1 – Доля абонентов по группам

Группа абонентов	Последняя цифра номера зачетной книжки	0,9	1,8	2,7	3,6	4,5
1	Доля абонентов 1 группы, p1 в%	50	53	60	65	60
2	Доля абонентов 2 группы, p2 в%	45	40	33	30	35
3	Доля абонентов 3 группы, p3 в%	5	7	7	5	5

Т а б л и ц а 2 – Характеристики нагрузки, создаваемой клиентами различных групп.

Последняя цифра номера зачетной книжки f_i	0,1	2,8	3,7	4,6	9,5
Вызовов в час, fi	5	4	5	4	5
Средняя длительность разговора, ti минут	2	3	2,5	2	3
Объём переданных данных в час наибольшей нагрузки, V2, Мбайт/с	20	10	15	20	15
Объём переданных данных в час наибольшей нагрузки, V3, Мбайт/с	70	65	80	85	75
Время просмотра видео в час наибольшей нагрузки, Тв, минут	55	40	50	45	55
Мультисервисный узел доступа обслуживает N, абонентов	3000	3500	2800	3200	2500

Т а б л и ц а 3 – Выбор кодеков

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки	1,3	2,4	5,7	6,8,9
Кодеки	G.711u G.726-32	G.711a G.729	G.711u G.723m	G.711a G.723a

Т а б л и ц а 4 - Параметры кодеков

Кодек	Ско- рость пере- дачи, кбит/с	Длитель ность датаграм-мы, Мс	Задержка пакети-зации, мс	Полоса пропускания для двунаправ-ленного соединения, кГц	Задержка в джиттер-буфере	Теоре-тическая максималь-ная оценка MOS
G.711u	64	20	1	174,4	2 датаграммы, 40 мс	4,4
G.711a	64	20	1	174,4	2 датаграммы, 40 мс	4,4
G.726-32	32	20	1	110.4	2 датаграммы, 40 мс	4,22
G.729	8	20	25	62,4	2 датаграммы, 40 мс	4,07
G.723m	6,3	30	67,5	43,73	2 датаграммы, 60 мс	3,87
G.723a	5,3	30	67,5	41,6	2 датаграммы, 60 мс	3,69

2.1.2 Методические указания к выполнению курсовой работы.

Всех потенциальных клиентов оператора по уровню приносимого дохода можно условно разделить на три группы.

Наиболее многочисленная группа абонентов приносит минимальный уровень дохода, однако отказаться от её обслуживания оператор не может из-за социальной значимости предоставления услуг этим абонентам.

В структуре пользователей можно выделить незначительное число абонентов, готовых использовать максимальное количество предоставляемых услуг. Скорее всего, это корпоративные пользователи, потребляющие весь спектр услуг «Triple Play». Несомненно, для организации обслуживания данного сектора организовывается широкополосный доступ.

Расчёт производительности узла доступа необходимо проводить с учётом всех абонентов, пользующихся услугами. Три группы клиентов:

- пользователи телефонии, p₁;

- пользователи телефонии и передачи данных, p₂;

- пользователи телефонии, передачи данных и видео,p₃.

Схема групп пользователей показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Состав абонентов сети доступа

Каждая группа абонентов совершает в среднем f_i вызовов в час средней длительностью t_iминут. Для второй и третьей группы, необходимо задать объём переданных данных в час наибольшей нагрузки, величина обозначается V_i, Мбайт/с. Третья группа будет характеризоваться еще временем просмотра видео в час наибольшей нагрузки Т_В минут. Мультисервисный узел доступа обслуживает N абонентов.

Факторы влияющие на качество речи и выбор кодека.

Первостепенными факторами, определяющими качество голоса, являются: выбор аудиокодека, время задержки, джиттер и потери пакетов.

Аудиокодеки - важнейший элемент терминалов H.323. Они позволяют уменьшать необходимую ширину голосового канала при сохранении требуемого качества речи. Различных схем сжатия достаточно много, но большинство устройств H.323 используют кодеки, стандартизированные ITU. Пользовательские приложения (например, NetMeeting) могут поддерживать различные кодеки, выбирая тот или иной посредством протокола H.245. Аудиокодеки можно сравнить по четырем параметрам (см.таблицау 4):

- скорость оцифровки - определенная битовая скорость, до которой кодек сжимает голосовой канал 64 Кбит/с. Для большинства кодеков она составляет 8; 6,4 и даже 5,3 Кбит/с. Однако следует иметь в виду, что это - только скорость сжатия речи. При передаче пакетированного голоса по сети за счет потерь протоколов (например, RTP/UDP/IP/Ethernet) скорость увеличивается, вплоть до скорости передачи данных;

- сложность реализации кодека: чем она выше, тем больше требований к ресурсам процессора;

- качество речи;

- задержка оцифровывания. Каждый алгоритм требует, чтобы до сжатия речь буферизовалась. Эта задержка добавляется к общей сквозной задержке. Сеть с чрезмерной сквозной задержкой заставляет людей общаться в режиме полудуплексного разговора вместо нормального дуплексного диалога [12].

Кодеки выбираются согласно предпоследней цифре номера зачетной книжки по Таблице 3.

Параметры кодеков представлены в таблице 4.

Время задержки оказывает заметное влияние на дуплексный телефонный разговор, который в отличие от широковещательной передачи (например, RealAudio) или передачи данных очень чувствителен к задержкам. Полная задержка становится заметной, когда она превышает 250 мс. Поэтому в рекомендации ITU-T G.114 максимальная односторонняя задержка, при которой сохраняется высокое качество голоса, определяется как 150 мс. При превышении этого порога поддерживать дуплексный разговор трудно - голоса абонентов накладываются друг на друга. Задержка имеет фиксированную и переменную составляющие. Например, фиксированная задержка определяется расстоянием, тогда как переменная зависит от меняющихся сетевых условий. Общая задержка складывается из различных компонентов. Рассмотрим наиболее значимые из них:

- Сетевая задержка вносится узловыми элементами сети VoIP. Для ее минимизации необходимо сократить число узлов сети на пути пакетов между абонентами. Некоторые провайдеры способны обеспечить задержки на своих сетях, не превышающие определенный уровень. Кроме того, для уменьшения сетевой задержки речевому трафику задают высший приоритет по отношению к нечувствительному к задержкам потоку данных.

- Задержка кодека вносится каждым алгоритмом сжатия. Например, G.723 добавляет фиксированную задержку в 30 мс. У других кодеков встроенная задержка может быть меньше, но при этом возможно снижение качества речи или увеличение требуемой полосы пропускания.

- Буфер компенсации джиттера также вносит свою задержку. Джиттером называют отклонения от средней задержки следования пакетов. Задержка может быть различной для каждого пакета, в результате чего, отправленные через равный интервал, они прибывают неравномерно, а то и не в исходной последовательности. Так как алгоритм декомпрессии требует фиксированного интервала между поступлением пакетов, в шлюзе необходим буфер компенсации джиттера. Он задерживает поступающие пакеты, чтобы передавать их устройству декомпрессии с заданным интервалом. Кроме того, он также фиксирует любые ошибки, контролируя номер последовательности в полях сообщений протокола RTP. Однако буфер компенсации зачастую вносит весьма значимую задержку. Его размер задают таким, чтобы буферизовать целое количество пакетов с учетом ожидаемого значения джиттера. Как правило, для каждого направления задержка буфера составляет 80 мс.

Выбор размера пакета также влияет на качество речи. Пакеты большого размера значительно уменьшают необходимую ширину полосы пропускания, но добавляют задержку пакетирования, так как передатчик тратит больше времени, чтобы заполнить пакет. "Накладные расходы" при пакетной передаче VoIP достаточно высоки. Рассмотрим сценарий, где голос сжимается до 8 Кбит/с, а пакеты посылаются каждые 20 мс. Таким образом, размер речевой информации в каждом пакете - 20 байт. Однако чтобы передать эти пакеты по RTP, к ним нужно добавить: заголовок Ethernet - 14 байт, заголовок IP - 20 байт, заголовок UDP - 8 байт и дополнительные 12 байт для RTP. В общей сложности 54 лишних байта, чтобы передать 20 байт голоса.

Как повысить содержание полезной информации в трафике? Во-первых, можно увеличить размер пакетов, например отправляя их каждые 40 мс. Однако при этом возникнет дополнительная задержка. Другой подход - сжатие заголовка. Этот метод использован в ряде устройств, особенно в работающих на медленных каналах связи, таких как PPP (Point-to-Point Protocol), FR (Frame Relay) или ISDN. Данный протокол обычно называют CRTP (Compressed RTP). Он сжимает заголовок до нескольких байт. AudioPro отображает эффективность загрузки пакета и среднюю скорость передачи (пакет/с и бит/с) для каждого потока, что позволяет определить оптимальный размер пакета для любой сети.

Основными механизмами обеспечения QoS (Quality of Service) являются:

Пакетная передача данных.

NGN как сеть с коммутацией пакетов отвечает модели системы с ожиданием (ТфОП соответствует модели системы с потерей вызовов). Заявка, поступившая в момент занятости всех каналов, не покинет систему, а будет поставлена в очередь. Время освобождения системы для начала обработки заявки из очереди меньше, нежели время, требуемое на перезапрос услуги. Кроме того, пакетизированный голос расходует полосу пропускания гораздо экономнее - при молчании абонентов информация не передается.

Наличие «временного запаса».

Измерения, проведенные специалистами Международного союза электросвязи (МСЭ) и Европейского института телекоммуникационных стандартов, показали, что к снижению качества телефонной связи приводит задержка Ткр свыше 150 мс. Обозначим время доставки информации в сети от узла А к узлу Б - T0. Тогда временной запас (Тз) – это разница между критическим временем доставки информации к абоненту и реальным временем прохождения пакетов через сеть.

Временной запас Тз, который в традиционных сетях связи пренебрегается, в NGN оперативно предоставляется другим приложениям, что в целом благотворно сказывается на параметрах QoS [3].

Физическое и логическое отделение передачи и маршрутизации пакетов от устройств и логики управления услугами.

Данное архитектурное решение позволяет использовать единый программный интеллект обработки вызовов для сетей разных типов (традиционных, пакетных, гибридных) с разными форматами речевых пакетов и с разным физическим транспортом [4], а также повышает степень управляемости процессами и параметрами QoS в сети следующего поколения.

Применение граничных контроллеров сессий SBC (Session Border Controller).

Данное устройство изначально ориентировано на большое количество услуг реального времени (видео, мультимедиа, Instant Messaging), реализуемых в IP-сети, и задействовано для отслеживания показателей качества обслуживания в NGN. Трафику, пропускаемому через SBC, обеспечивается управление качеством обслуживания, безопасностью, полосой пропускания. Для взаимодействия сетей необходимо одновременное использование обоих видов оборудования - Softswitch и SBC [5].

Использование технологии многопротокольной коммутации по меткам MPLS (Multiprotocol Label Switching).

Технология MPLS ориентирована на оптимизацию процесса маршрутизации трафика таким образом, чтобы обеспечить максимально выгодное сочетание всех механизмов QoS, задействованных в сети. Процесс маршрутизации заменяется процессом коммутации, который осуществляется на основе меток. Существенное повышение качества работы (аудио- и видеоинформация передается коммутаторами MPLS с точностью, сравнимой с результатами работы по прямому соединению) достигается за указания в метке пропускной способности, которая должна быть зарезервирована.

Функция MPLS Fast Reroute, оперативно реагирующая (не более чем за 50 мс) на обрывы связи и перенаправляющая информационные потоки на неповрежденные участки сети, делает NGN более надежной, чем сети SDH [6]

2.1.3 Расчёт числа пакетов от первой группы (телефония).

Рассчитаем число пакетов создаваемых пользователями телефонии, использующие выбранные ранее кодеки. Параметры кодеков представлены в таблице 4.

Рассчитаем параметры сети для двух кодеков соответственно варианту. Длительность дейтаграммы T_PDUравна 20 мс, согласно рекомендации RFC 1889. При этом в секунду передаётся

n_j= 1/ T_PDU_,(кадров в секунду).(2.1)

Размер пакетизированных данных

h_j = v_j·T_PDU_, (2.2)

где v_j – скорость кодирования, байт/с;

h_j – размер пакетизированных данных;

T_PDU – длительность одной речевой выборки (длительность пакета).

Рассчитать v_j – скорость кодирования, байт/с; h_j – размер пакетизированных данных для двух выбранных согласно варианту кодеков (индекс j соответствует 1-первый кодек без сжатия, 2- второй кодек со сжатием).

При использовании кодека скорость кодирования

v_j= R_Gj/8 , (байт/с),

h_j = v_j · T_PDU, (байт).

R_Gj – скорость передачи кбит/с.

Для определения размера пакета необходимо учесть заголовки:

- Ip – 20 байт;

- UDP – 8 байт;

- RTP – 12 байт.

Суммарный размер пакета для кодека без сжатия

h_åG1 = h_j + Ip + UDP+ RTP, байт.

Суммарный размер пакета для кодека со сжатием

h_åG2= h_j + Ip + UDP+ RTP, байт.

Для определения числа пакетов, генерируемых первой группой абонентов, необходимо учесть их долю в общей структуре пользователей, количество вызовов в час наибольшей нагрузки, среднюю длительность разговора.

N_1j = n_1j· t₁·f₁·p₁·N , (2.3)

где N_1j – число пакетов, генерируемое первой группой пользователей в час наибольшей нагрузки;

n_1j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;

t₁– средняя длительность разговора в секундах для первой группы абонентов;

f₁ – число вызовов в час наибольшей нагрузки для первой группы абонентов;

p₁ – доля пользователей группы 1 в общей структуре абонентов;

N – общее число пользователей.

2.1.4 Расчёт числа пакетов от второй группы (телефония и интернет).

Рассуждения, приведённые для первой группы абонентов, в полной мере можно применить и ко второй группе для расчёта числа пакетов, возникающих в результате пользования голосовыми сервисами. Разница будет лишь в индексах.

N_{2_тj} = n_1j· t₂· f₂·p₂· N, (2.4)

где N_{2_тj} – число пакетов, генерируемое второй группой пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании голосовых сервисов;

n_1j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;

t₂– средняя длительность разговора в секундах для второй группы абонентов;

f₂ – число вызовов в час наибольшей нагрузки для второй группы абонентов;

p₂ – доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов;

N – общее число пользователей.

Для расчёта числа пакетов, генерируемых второй группой пользователей при использовании сервисов передачи данных, необходимо задаться размером пакетов. При построении сети NGN, как правило, на одном или нескольких участках сети на уровне звена данных используется та или иная разновидность технологии Ethernet, поэтому использовать пакеты, превышающие максимальную длину поля данных Ethernet, не имеет смысла. Очень длинный пакет рано или поздно будет фрагментирован, что приведёт, во-первых, к излишней нагрузке на коммутаторы, и, во-вторых, к возможным перезапросам в случае потерь.

Кроме того, использование пакетов большого размера затрудняет обеспечение качества обслуживания и на магистральной сети, и в сети доступа. Более того, как правило, корпоративные пользователи устанавливают на границе своей сети «firewall», который, иногда, ограничивает максимальный размер кадра. При передаче данных вместо протоколов RTP и UDP используется TCP, вносящий точно такую же избыточность (20 байт).

Для расчёта числа пакетов в час наибольшей нагрузки необходимо задаться объёмом переданных данных. Предположим, что абоненты второй группы относятся к интернет-сёрферам, т.е. в основном просматривают веб-страницы. Средний объём данных, переданных за час при таком способе подключения, составит около V₂ необходимо выразить в битах. То есть V₂ ≈ V₂(Мбайт) ·8·1024·1024 бит. Число пакетов, переданных в ЧНН, будет равно

N_{2_дj} = p₂· N ·V_2j/h_j, (2.5)

где N_{2_дj} – количество пакетов, генерируемых в час наибольшей нагрузки абонентами второй группы при использовании сервисов передачи данных;

p₂ – доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов;

h_2j– размер поля данных пакета;

N – общее число пользователей.

Суммарное число пакетов, генерируемых второй группой пользователей в сеть в час наибольшей нагрузке, будет равно

N_2j = N_{2_тj} + N_{2_дj}. (2.6)

2.1.5 Расчёт числа пакетов от третьей группы абонентов (triple play).

Все рассуждения, проведённые относительно первых двух групп, остаются в силе и для третьей группы, применительно к сервисам передачи голоса, а именно:

N_{3_}_тj = n_1j· t_{3_}_т· f₃· p₃· N, (2.7)

где N_{3_т} – число пакетов, генерируемое третьей группой пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании голосовых сервисов;

n_1j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;

t₃– средняя длительность разговора в секундах;

f₃ – число вызовов в час наибольшей нагрузки;

p₃ – доля пользователей группы 3 в общей структуре абонентов;

N – общее число пользователей.

Предположим, что абоненты третьей группы относятся к «активным» пользователям интернета, т.е., используют не только http, но и ftp, а также прибегают к услугам пиринговых сетей. Объём переданных и принятых данных данных при таком использовании интернета составляет до V₃ . Число пакетов, переданных в ЧНН, будет равно

N_{3_дj} = p₃· N · V₃/h_j .

Для расчёта числа пакетов, генерируемых пользователями видео-услуг, воспользуемся соображениями относительно размера пакета, приведёнными в предыдущем пункте. Размер пакета не должен превосходить 200 (120) байт (вместе с накладными расходами).

Одной из наиболее перспективных и динамически развивающихся услуг является IPTV – передача каналов телевещания с помощью протокола IP. При организации данного сервиса для каждого пользователя в транзитной сети доступа не требуется выделения индивидуальной полосы пропускания. До мультисервисного узла доходит определённое количество каналов, которые распределяются между заказчиками услуги, причём существует возможность организации широковещательной рассылки. Допустим, что в мультисервисной сети предоставляется возможность просмотра K_tv = 40 каналов вещания. Для обеспечения удовлетворительного качества скорость кодирования должна быть порядка 2 Мбит/с.

Например, при скорости передачи v = 2048000 бит/с и размере полезной нагрузки пакета h_j число пакетов, возникающих при трансляции одного канала, равно:

n_3j = v/h_j, (2.9)

Количество пакетов, передаваемых по каналами в ЧНН, составит

N_{3i_Вj} = p₃· N · n_3i· t_{3_В}, (2.10)

где N_{3j_В} – число пакетов, генерируемое третьей группой пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании видео-сервисов сервисов;

n_3j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при использовании просмотре видео, сжатого по стандарту MPEG2;

t_{3_В} – среднее время просмотра каналов в ЧНН, сек;

p₃ – доля пользователей группы 3 в общей структуре абонентов;

N – общее число пользователей.

Суммарное число пакетов, генерируемых третьей группой пользователей в сеть в час наибольшей нагрузке, будет равно

N_3j = N_{3j_т} + N_{3j_д}+ N_{3j_В} (2.11)

2.1.6 Требования к производительности мультисервисного узла доступа.

Мультисервисный узел доступа должен обслуживать трафик от всех трёх групп пользователей. Кроме того, именно узел доступа должен обеспечить поддержку качества обслуживания путем приоритезации трафика, которая должна осуществляться независимо от используемой технологии транспортной сети доступа.

Суммарное число пакетов, которое должен обработать мультисервисный узел доступа, будет равно:

j_Σj = N_1j + N_2j + N_3j = n_1j· t₁·f₁·p₁·N + (n_1j· t₂· f₂· p₂· N + p₂· N · V₂/h_j) +

+ (n_1j· t₃·f₃·p₃· N + p₃·N ·V₃/h_j + p₃· N · n_3j· t_{3_В}). (2.12)

Учитывая, что:

t₁= t₂ = t₃ = t – средняя длительность разговора в секундах;

f₃ = f₂= f₁= f – число вызовов в ЧНН;

получим

(2.13)

Nj_Σj = n_1j· t· f ·N · (p₁ + p₂ + p₃) + N/h_j · (p₂·V₂ + p₃·V₃) + p₃· N · n_3j· t₃_В.

Учитывая, что p₁ + p₂ + p₃ = 1, получим

N_Σj = N · (n_1j· t· f + ( p₂·V₂ + p₃·V₃)/h_j) + p₃· N · n_3j· t_{3_В} . (2.14)

Среднее число пакетов в секунду рассчитывается для двух выбранных кодеков и равно

N_Σ_{_секj} = N_Σj/3600. (2.15)

Данные показатели позволяют оценить требования к производительности маршрутизатора, агрегирующего трафик мультисервисной сети доступа NGN. Анализ Приложения А показывает, что выбор такого маршрутизатора осуществляется из весьма ограниченного количества вариантов.

Анализируется как и какие группы сети больше всего загружают систему для рассчитываемых длин пакетов. Для этого формируется таблица 6 и строится диаграмма).

Таблица 6 - количество передаваемых пакетов в сек для трех групп пользователей

	Количество передаваемых пакетов в сек
	G.711	G.726
1 группа (p₁),%	N₁₁	N₁₂
2 группа (p₂) ,%	N₂₁	N₂₂
3 группа (p₃) ,%	N₃₁	N₃₂

Рисунок 2 – Пример доли передаваемых пакетов тремя группами

Вывод о загрузке системы пользователями трех групп.

Из графика видно, что наибольший передаваемый трафик идет на третью группу при кодеке G.711 и G.726, несмотря на то, что она составляет всего лишь 5% от общего числа пользователей. Пользователи обычной телефонии, при ее преобладающем количестве, загружают систему меньше всех.

2.2 Задание №2

2.2.1 Расчетная часть.

а) Рассчитать среднее время задержки пакета в сети доступа.

б) Рассчитать интенсивность обслуживания пакета при норме задержки = 5 мс для двух типов кодеков.

в) Построить зависимость максимальной величины для средней длительности обслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа.

г) Определить коэффициент использования системы для случаев с различными кодеками.

д) Построить зависимости при помощи прикладной программы MathCad.

ж) Сделать выводы по задачам 1 и 2.

2.2.2 Методические указания к выполнению задания 2

Требования к полосе пропускания определяются гарантиями качества обслуживания, предоставляемыми оператором пользователю. Параметры QoS описаны в рекомендации ITU Y.1541. В частности, задержка распространения из конца в конец при передачи речи не должна превышать 100 мс, а вероятность превышения задержки порога в 50 мс не должна превосходить 0,001, т.е.

, мс,

p{t_p > 50 мс} ≤ 0.001.

Задержка из конца в конец складывается из следующих составляющих:

t_p = t_пакет+ t_ад + t_core + t_ад + t_буф (2.16)

где t_p – время передачи пакета из конца в конец;

t_пакет – время пакетизации (зависит от типа трафика и кодека);

t_ад – время задержки при транспортировке в сети доступа;

t_core – время задержки при распространении в транзитной сети;

t_буф– время задержки в приёмном буфере.

Из таблицы 6 видно, что применение низкоскоростных кодеков «съедает» основную часть бюджета задержки. Задержка в приёмном буфере также велика, поэтому на сеть доступа и транспортная сеть должны обеспечивать минимальную задержку.

Допустим, что задержка сети доступа не должна превышать 5 мс. Время обработки заголовка IP-пакета близко к постоянному. Распределение интервалов между поступлениями пакетов соответствует экспоненциальному закону. Поэтому для описания процесса, происходящего на агрегирующем маршрутизаторе, можно воспользоваться моделью M/G/1.

Для данной модели известна формула, определяющая среднее время вызова в системе (формула Полячека – Хинчина) [9].

, (2.17)

где _j – средняя длительность обслуживания одного пакета;

– квадрат коэффициента вариации, 0,2;

_j– параметр потока, из первой задачи N_{å_секj} ;

_j – среднее время задержки пакета в сети доступа, = 0,005 с.

Ненулевой коэффициент вариации учитывает возможные отклонения при использовании в заголовках IP полей ToS. Кроме того, время обработки IP-пакета в значительной мере зависит от используемых на маршрутизаторе правил обработки.

Из формулы (2.17) следует зависимость максимальной величины для средней длительности обслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа.

, (2.17)

Построим данные зависимости при помощи прикладной программы MathCad.

Рисунок 3 - Зависимость максимальной величины для средней длительности обслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа для кодека G.711

Интенсивность обслуживания связана со средним временем задержки пакета в сети доступа обратно пропорционально:

. (2.19)

Рассчитать по формулам 2.18 и 2.19 среднее время задержки в сети доступа и интенсивность обслуживания при норме задержки = 5 мс для двух типов кодеков.

Время t_j должно выбираться как минимальное из двух возможных значений. Первое значение – величина, полученная из последней формулы. Второе значение – та величина, которая определяется из условия ограничения загрузки системы – r. Обычно эта величина не должна превышать 0,5.

При среднем значении задержки в сети доступа 5 мс коэффициент использования равен:

. (2.20)

Рассчитать коэффициент использования для случаев с различными кодеками.

При таком высоком использовании малейшие флуктуации параметров могут привести к нестабильной работе системы. Определим параметры системы при её использовании на 50%. Средняя длительность обслуживания будет равна

. (2.21)

Определим интенсивность обслуживания при этом

_(2.22).

Задержка в сети доступа рассчитывается по формуле:

, (секунд). (2.23)

Рассчитывать вероятность s(t)=при известных λ и τ нецелесообразно, т.к. в Y.1541 вероятность P{t>50мс} < 0.001 определена для передачи из конца в конец.

При известном среднем размере пакета h_j определить требуемую полосу пропускания

j_j = β_j×h_j (бит/с).

Сравним полученные результаты (см. рисунок 4.)

Рисунок 4 – Пример отображения результатов расчета: требуемая полоса пропускания

Из графика видно, что для передачи одной и той же информации, то есть одного объема при использовании услуги Triple Play, необходима различная полоса пропускания. В нашем случае при использовании кодека G.711 с длиной пакета 200 байт необходима меньшая полоса пропускания, чем при использовании кодека G.726 с длиной пакета 120 байт, хотя протокол G.726 – есть протокол со сжатием.

Предположим, что в структурном составе абонентов отсутствуют группы пользователей использующие видео, т.е. p_2н » p₂+p₂. При этом в вышеприведённом анализе следует опустить расчёт числа пакетов, возникающих при использовании сервисов высокоскоростной передачи данных и видеоуслуг.

Число генерирующих пакетов, возникающих в ЧНН, будет равно

где N_tel – число пакетов телефонии, генерируемое всеми пользователями

в час наибольшей нагрузки;

N_int – число пакетов интернета, генерируемое второй группой пользователей в час наибольшей нагрузки

p_2н – доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов

n_j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при использовании кодека G.711;

t– средняя длительность разговора в секундах;

f – число вызовов в час наибольшей нагрузки;

N – общее число пользователей.

Число пакетов в секунду:

Среднее время обслуживания одного пакета при норме задержки 5 мс:

(секунд).

Коэффициент использования:

При использовании системы на 50%:

, (секунд),

Требуемая пропускная способность:

φ_j = β_j×h_j , (бит/с).

Для второго кодека проводим аналогичные вычисления.

Сравним полученные результаты (см.рисунок 6)

Рисунок 6 – Пример отображения результатов расчета: требуемая полоса пропускания

Из графика видно, что для передачи информации одного объема, необходима различная полоса пропускания, в данном случае при использовании кодека G.711 с длиной пакета 200 байт необходима большая полоса пропускания, чем при использовании кодека G.726 с длиной пакета 120 байт.

Построенная модель расчитывает параметры сети, а именно время и интенсивность обслуживания одного ip пакета определенной длины, от времени задержки в сети доступа.

3 Задание №3

3.1 Расчетная часть

а) провести расчет математической модели эффекта туннелирования в MPLS , применив MATHCAD или другую программу;

б) рассчитать времени пребывания пакета в туннеле из N узлов V₁ (N);

в) рассчитать время пребывания пакета в LSP- пути без туннеля V₂(N);

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

Исходные данные для расчета приведены в таблице 7.

Т а б л и ц а 7- Данные к расчету

Первая буква фамилии	АБ ОП	ВГ ЧУ	ДЖХ	ЗИЫ	УЛЦ	ЛМЙ	НРШ	СТЩ	ФЭ	ЮЯ
число маршрутиза-торов N	10	15	25	45	50	100	30	70	60	80
Последняя цифра номера 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
ρ₃	0,80	0,9	0,85	0,90	0,95	0,80	0,85	0,95	0,85	0,95
Предпоследняя цифра номера зач. 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

Здесь:

l-интенсивность входного потока заявок,

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

r =l/m - нагрузка, обслуживаемая узлом LSР- маршрута,

m- поправочный коэффициент.

3.2 Методические указания к выполнению задания 3

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.

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 7- Организация туннеля

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 7

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 8 – Транзитные маршруты

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) (см.рисунок 8) , 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 9 – Организация транзитного маршрута

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, 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 l и средним временем обслуживания 1/mв системе М/М/m в стационарных условиях (при r=l/(mm)<1) является также пуассоновским с той же интенсивностью l . 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.

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.

Рисунок 10 – Сцепление пакетов

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 10. Второе явление фрагментации, которое иллюстрирует рисунок 11, 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 11- Фрагментация данных

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

(3.1)

где g - постоянная Эйлера (g@0.577), N > 2.

Формула (3.1) 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 l - прежнему означает число запросов, а 1/m означает усредненное время определяемым допустимым временем интенсивности пуассоновского потока обслуживания сообщений в узле. Соответственно, r =l/m означает нагрузку, обслуживаемую узлом LSР- маршрута. Обслуживание же этой нагрузки узлами, входящими в данный LSP- маршрут, и является основной работой данного фрагмента сети MPLS.

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).

На рисунке 12 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 m₂=m/(1+m) 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 12 – MPLS тунеллирование

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

. (3.2)

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

(3.3)

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

Рисунок 13 – Зависимость времени пребывания пакета в LSР - туннеле от количества узлов

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.

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.

Рисунок 14 - Зависимость времени пребывания пакета в LSР - туннеле от количества узлов при при r=0,8

Рисунок 15 - Зависимость времени пребывания пакета в LSР - туннеле от количества узлов при r=0,85

Допустим, 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 14-15

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 литературы

1. Вегешна Ш. Качество обслуживания в сетях IP.- М.: Вильямс, 2003.

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

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

7. Росляков А. В., Самсонов М. Ю., Шибаева И. В. Центры обслужива- ния вызовов (Call Centre).- М.: Эко-Трендз,2003

Сводный план 2011г. поз. 192