Исследование и разработка моделей трафика сети общеканальной сигнализации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Криштофович, Андрей Юрьевич

• Криштофович, Андрей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Криштофович, Андрей Юрьевич

Оглавление.

Введение.

1 Современные методы анализа нагрузки в телекоммуникационных сетях.

1.1 Специфика трафика сети ОКС №7.

1.2 Статистические свойства трафика сетей с коммутацией пакетов.

1.3 Математическое описание самоподобного трафика.

1.3.1 Дробное Броуновское движение.

1.3.2 Дробный гауссовский шум.

1.3.3 Дробный авторегрессионый интегрируемый процесс скользящего среднего.

1.3.4 Распределение Парето.

1.3.5 Логарифмически-нормальное распределение.

1.4 Архитектура протокола ОКС №7.

1.5 Применимость принципов самоподобия к сети ОКС №7.

1.6 Выводы.

2 Анализ трафика сети ОКС №7.'.

2.1 Анализ трафика сети ОКС №7 проводной телефонии.

2.2 Анализ трафика сети ОКС №7 мобильной телефонии.

2.3 Выводы.

3 Моделирование трафика сети ОКС №7.

3.1 Введение.

3.2 Идентификация модели трафика ОКС№7.

3.3 Результаты моделирования сигнального трафика проводной телефонии.

3.4 Моделирование трафика сетей GSM.

3.5 Выводы.

4 Управление трафиком общеканальной сети сигнализации №7.

4.1 Постановка задачи оперативного управления нагрузкой сети ОКС №7.

4.2 Оценка вероятности превышения заданной величины интенсивности трафика сети ОКС №7.

4.3 Алгоритм управления сетью ОКС №7.

4.4 Эффективность использования алгоритма управления сетью ОКС №7.

4.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка моделей трафика сети общеканальной сигнализации»

Актуальность темы

Предоставление телекоммуникационных услуг требует обеспечения оператором надлежащего качества связи, описанного в соответствующих отраслевых стандартах и нормах, утвержденных приказами Минсвязи России. Определяющим показателем качества услуг связи является бесперебойность, то есть доступность канала связи должна быть либо постоянной, либо не превышать установленного в руководящих документах Минсвязи России времени. При проектировании и строительстве современных телекоммуникационных сетей всё большее применение находит идея конвергенции, то есть речь и данные предполагается передавать одной и той же средой. Таким образом, существующая телефонная сеть общего пользования (ТфОП) всё больше применяется для объединения сетей, использующих различные протоколы и технологии. В связи с этим большое внимание уделяется сети общеканальной сигнализации №7, которая является основным транспортом служебной информации ТфОП. Следовательно, сбои в работе сети ОКС №7 могут повлечь за собой перерыв связи между коммутаторами и, даже, остановку работы всей сети. Известны исследовательские работы Б.С. Гольдштейна, A.M. Фельдмана, И.М. Ехриель, Р.Д. Рерле, довольно подробно описывающие данную проблему.

В 1980 году появился принципиально новый тип сигнализации -общеканальная сигнализация №7 (ОКС №7, CCS7), которую можно было использовать на сетях связи различного назначения, как на местных, так на междугородних и на международных. По своим функциональным возможностям она превосходила все имевшиеся до этого межстанционные сигнализации и открывала широкие перспективы. ОКС №7 стала базой для построения сети общеканальной сигнализации

CCSN). Первоначально сигнальная нагрузка была довольно мала, и построение сети не вызывало проблем. Как правило, для обеспечения связи между двумя коммутационными системами хватало одного канала ОКС №7, который мог обслуживать, до 1000, а в некоторых случаях до 2500 телефонных соединений. Однако позже, кроме услуг телефонной сети общего пользования (ТФОП), начали получать распространение услуги сети с интеграцией служб (ISDN), услуги интеллектуальных сетей (IN и AIN), сетей GSM. Такое разнообразие телекоммуникационных услуг повлекло за собой резкий всплеск роста нагрузки иногда даже не связанной с телефонным соединением как, например, роуминг. Впервые с проблемой перегрузки столкнулись в США. В 1991 году часть телефонной сети страны оказалась неработоспособной из-за блокировки сети ОКС №7, без связи остались несколько миллионов абонентов. Блокировка была вызвана сбоем программного обеспечения. Сбой привёл к тому, что пункты сигнализации начали генерировать большое количество ошибочных сигнальных единиц, что вызвало перегрузку. Такая ситуация обратила внимание на необходимость изучения нагрузки сети ОКС №7. Одними из первых работ в этой области являются исследования Д. Даффи, А. Макинтоша, М. Розенштейна, У. Уилингера (D. Duffy, A. Mcintosh, M. Rosenstein, W. Willinger), в которых проводится сбор и анализ данных о загрузке звеньев ОКС №7. Данные исследования показали несоответствие имеющихся моделей реальному трафику. Встала проблема моделирования и прогнозирования нагрузки.

Стохастические модели трафика, используемые до настоящего времени, предполагают пуассоновское распределение поступающих сообщений и экспоненциальное распределение длин сообщений.

Примерно в то же время исследования проблемы перегрузок в сетях передачи данных показало присутствие большого последействия и пачечности трафика. Результаты статистической обработки данных о трафике приведены в работах сотрудников исследовательской лаборатории Белла У. Лилэнда, М. Такку, У. Уилингера и Д. Уильсона (W. Leland, М. Taqqu, W. Wilinger, D. Wilson).

Зная, что сеть ОКС №7 является сетью с пакетной коммутацией, можно сделать предположение о том, что трафик данной сети по своим свойствам может быть близким к свойствам трафика сетей передачи данных.

В настоящее время сеть ОКС №7 в России уже имеет довольно разветвлённую структуру. Непрерывный рост сложности сети ОКС №7 и нагрузки в ней, требует, для поддержания высокого качества предоставляемых услуг, полного контроля сети ОКС №7 и предсказуемости поведения её трафика. Несмотря на то, что существуют системы мониторинга сети ОКС, как встроенные в программное обеспечение коммутаторов, так и пассивные, реализованные на отдельном оборудовании, методики прогнозирования трафика пока не существует.

В перспективе сеть ОКС №7 должна объединить большинство существующих сетей, построенных с использованием технологий VoIP, ATM, ISDN, а так же интеллектуальных сетей, сетей сотовой связи и, разумеется, сетей традиционной телефонии. Международный союз электросвязи определил использование системы ОКС №7 в сетях связи следующего поколения и в сетях мобильной связи третьего поколения UMTS.

Структура протокола ОКС №7 в оборудовании реализована в виде системы очередей, шин, внутренних матриц и процессов. Любая из подсистем может подвергнуться перегрузке при чрезмерном трафике. Исследования, проведённые ранее, показывают, что основными причинами перегрузок являются запросы перенаправления сигнального трафика при отказе одного или нескольких звеньев, а так же при проведении интерактивных игр (телеголосования, SMS-игры и т.д.) и во время социально значимых событий.

Служебная информация, которой обмениваются два коммутатора, может проходить через несколько транзитных пунктов сигнализации, не участвующих в организации разговорного тракта. При отказе одного из узлов сети, потоки сигнальной нагрузки будут перераспределены между смежными узлами. В этом случае нагрузка на них будет возрастать быстрее, чем обычно. В такой ситуации, во избежание перегрузки, необходимо иметь представление о тенденции возрастания нагрузки. Имея модель трафика сети ОКС №7, возможно будет сделать такие прогнозы с допустимой точностью.

При несовершенной системе расчёта сигнальной нагрузки и отсутствии моделей, прогнозы которых согласовывались бы с реальными данными, довольно легко допустить ошибки при проектировании сети ОКС №7, которые в последствии могут обернуться возможностью блокировки части, а может даже и всей сети. Кроме того, важно иметь возможность заблаговременного предсказания возникновения перегрузки, чтобы оперативно среагировать и изменить маршруты прохождения сигнального трафика.

Таким образом, основной задачей представленной работы является анализ вероятностных характеристик трафика сети ОКС №7, разработка метода прогнозирования возникающей сигнальной нагрузки и создание алгоритма управления сигнальным трафиком на основе данных прогноза.

Цель работы

Исследование и анализ вероятностных характеристик трафика сети общеканальной сигнализации №7. Разработка метода прогнозирования сигнальной нагрузки на основе полученных статистических данных. Разработка алгоритма динамического управления трафиком.

Основные задачи исследования

- анализ существующих методов моделирования нагрузки телекоммуникационных сетей;

- исследование трафика сети ОКС №7, определение его вероятностных характеристик;

- разработка метода моделирования и прогнозирования поведения нагрузки сети ОКС №7;

- разработка методики определения возможности перегрузки звена ОКС №7;

- разработка алгоритма управления трафиком сети ОКС №7. Методы исследования

Основные теоретические и экспериментальные исследования диссертационной работы выполнены с применением методов теории вероятностей, математической статистики, теории случайных процессов.

Научная новизна работы

В работе впервые:

- установлены законы поведения трафика сети ОКС №7;

- предложена математическая модель трафика сети ОКС №7;

- предложена процедура прогнозирования изменения нагрузки в сети ОКС №7;

- разработана методика определения возможности перегрузки звена ОКС №7;

- разработан алгоритм управления трафикам сети ОКС №7.

Практическая ценность и реализация результатов работы

В работе предложен новый метод моделирования трафика сети ОКС №7, на основе которого разработан алгоритм управления, позволяющий повысить отказоустойчивость сети.

Методика построения прогнозов, основанная на данной модели, позволяет более точно рассчитать сеть ОКС №7 на этапе проектирования.

Разработанный в диссертации алгоритм управления сетью ОКС №7, а так же метод построения прогнозов нагрузки сети приняты к использованию в телекоммуникационной компании ЗАО «Самара Телеком» для управления сетью ОКС №7, а так же для проектирования вновь вводимых фрагментов сети.

Апробация работы

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на IX и XI Российских научно-технических конференциях ПГАТИ (Самара, 2002, 2004 гг.), 59-ой Научной сессии, посвященной дню радио, 4-ой, 5-ой и 6-ой Международных конференциях «Цифровая обработка сигналов и её применение».

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 10 опубликованных работах. Публикации включают 7 тезисов докладов, 3 статьи в научных изданиях.

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы содержит 100 страниц.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Криштофович, Андрей Юрьевич

4.5 Выводы

В главе 4 представлено выражение для определения вероятности превышения порогового значения нагрузки канала ОКС №7. Однако было отмечено, что данный способ даёт весьма приблизительные результаты. Так же расчёт вероятности опирается на довольно большое количество параметров, которые будут варьироваться в зависимости от особенностей включения узла связи и таблиц маршрутизации, что значительно замедляет принятие решения о достижении порогового уровня. Гораздо целесообразней будет опираться на результаты прогнозирования в соответствие с моделью АРПСС, примеры применения которого были приведены в главе 3.

Описан алгоритм управления сетью сигнализации ОКС №7 при угрозе возникновении перегрузки одного из направлений сети сигнализации ОКС №7, основанный на постоянном мониторинге сети. Решение должно приниматься на основе прогнозирования в соответствие с моделью АРПСС. Анализ данных прогноза позволяет заблаговременно начать работы по предотвращению возникновения перегрузки и избежать блокировки направления или сегмента сети.

Алгоритм принятия решения о перегрузке может быть автоматизирован и представлен в виде программного обеспечения, ориентированного на конкретный тип коммутатора или какого либо устройства пассивного мониторинга, поскольку от устройства сбора информации зависит формат предоставления и объём данных.

Принятие решения о действиях для избежания перегрузки звена или сегмента сети сигнализации ОКС №7 должно приниматься оператором, с учётом знания топологии сети и различных субъективных факторов.

Проведено моделирование аварийной ситуации на сети ОКС №7, рассмотрены варианты развития событий при использовании предложенного алгоритма и без него, и показано, что представленный алгоритм позволяет повысить надёжность эксплуатируемой сети ОКС №7.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

Проведён анализ моделей, применяемых для описания трафика сетей передачи данных с коммутацией пакетов, проведено сравнение параметров сети ОКС №7 и параметров исследованных ранее сетей передачи данных.

Получены результаты измерений нагрузки на двух различных сетях сигнализации ОКС №7, одна из которых является сетью проводной телефонии, а другая мобильной.

В результате анализа собранных данных о нагрузке сделан вывод, что трафик сетей ОКС №7 близок по своим свойствам к самоподобному случайному процессу. Сделан вывод о присутствии долговременной зависимости в потоке трафика, что может служить основой для построения прогнозов, а так же о пачечности трафика сети.

На основе предположений о свойствах сигнальной нагрузки, а так же анализа моделей, применяемых для описания пакетного трафика, была предложена модель трафика сети ОКС №7.

Предложена процедура краткосрочного прогнозирования трафика сети ОКС №7 на основе модели АРПСС, произведён расчет параметров модели.

На основе сопоставления результатов прогноза с реальными данными принято решение об адекватности модели.

Предложен метод оценки вероятности превышения заданной величины интенсивности трафика сети ОКС №7 с использованием модели процесса на базе предгауссовского случайного процесса.

Разработана методика определения возможности возникновения перегрузки, основанная на предложенной модели.

Разработан алгоритм управления трафиком сети ОКС №7 в случае перегрузки или выхода из строя одного из её узлов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Криштофович, Андрей Юрьевич, 2004 год

1. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов прогноз и управление Москва, Мир, 1974.

2. Боровков A.A. Теория вероятностей М., 1976г.

3. Булдыгин В.В., Козаченко Ю.В. Метрические характеристики случайных величин и процессов Киев: TBiMC.1998.

4. Гольдштейн Б.С., Рерле Р.Д., Ехриель И.М. Мониторинг и предотвращение атак сетей ОКС-7 // Ассоциация документальной электросвязи. № 11 2003 г.

5. Гольдштейн Б.С., Рерле Р. Д., Ехриель И.М. Обеспечение безопасности сетей ОКС-7 // Сети и системы связи. Москва. 2003. — №2

6. Гольдштейн Б.С., Рерле Р.Д., Ехриель И.М. Тестирование телекоммуникационных протоколов: проблемы и подходы // Сети и системы связи, Москва 2002г, №12.

7. Гольдштейн Б.С., Рерле Р.Д., Ехриель И.М., Фельдман A.M. Сетевые аспекты мониторинга ОКС-7 // Вестник связи. Москва. 2001. №4.

8. Гольдштейн Б.С., Цыбаков В.И. Перегрузки и мониторинг сети сигнализации ОКС-7 // Вестник Связи. Москва, 2002 №12.

9. Дж. Бокс, Г. Дженкинс. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. Выпуск 1. «Мир», Москва 1974.

10. Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Коржик В. И., Назаров М.В. Теория электрической связи М.: Радио и связь, 1998.

11. Кловский Д.Д. Теория передачи сигналов. М.: Радио и связь, 1973. - 376 с.

12. Криштофович А.Ю. Идентификация модели трафика сети ОКС №7 // VI Международная научно-техническая конференция «Цифровая обработка сигналов и её применения». Тезисы докладов М., 2004

13. Криштофович А.Ю. Краткосрочные прогнозы трафика сети ОКС №7 на основе АРПСС // XI российская научная конференция ПГАТИ. Тезисы докладов. Самара, 2004 - С.

14. Криштофович А.Ю. Построение прогнозов сети ОКС №7 // V Международная научно-техническая конференция «Цифровая обработка сигналов и её применения». Тезисы докладов М., 2003

15. Криштофович А.Ю. Применение модели трафика сети ОКС №7 для управления потоками сигнальной нагрузки // Инфокоммуникационные Технологии, Том 2. Самара, 2004 №2

16. Криштофович А.Ю. Проблемы и способы моделирования сети ОКС №7 // Труды учебных заведений связи СпбГУТ 2002 №168 с. 75-79

17. Криштофович А.Ю. Проблемы моделирования сетей ОКС №7 // IX российская научная конференция ПГАТИ. Тезисы докладов. — Самара, 2002 С.64-65

18. Криштофович А.Ю. Самоподобный случайный процесс как модель трафика сети ОКС №7 // Информатика, радиотехника, связь. -Самара, 2002 №7. - С.

19. Криштофович А.Ю. Управление трафиком сети ОКС №7 на основе краткосрочных прогнозов // Международная конференция 59-я научная сессия, посвященная Дню радио. 2004 г. Москва с. 176-178

20. Крюков Ю.С. Системные аспекты мониторинга сигнальной информации в телекоммуникациях // "Конфидент" №2, 2003 г."

21. Кучерявый Е.А. Механизм управления трафиком АТМ при использовании краткосрочного прогнозирования. // Электросвязь. Москва, 2000. №3. - с. 32-34.

22. Леондес К.Т. Современная теория систем управления М., 1970.

23. Низамов Ш.Р. Методы адапривного управления информационными потоками в корпоративных сетях связи // Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук, Уфимский

24. Государственный Авиационный Технический Университет, Уфа 2002.

25. Петров В.В. Статистический анализ сетевого трафика МЭИ, ИРЭ, Москва, 2003.

26. Пономарёв Д.Ю. Исследование моделей телекоммуникационных систем с непуассоновскими входными потоками // Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов/ Под редакцией A.B. Сарафанова. Красноярск: ИПЦ КГТУ - 2003. - С. 420-425.

27. Пономарёв Д.Ю. Исследование свойства самоподобия телефонной нагрузки // Тезисы докладов 7-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы информатизации Региона». -Красноярск. -2001. С. 44-47.

28. Пономарёв Д.Ю. Применение имитационного моделирования для коммутационных систем с различными типами потоков вызовов // ИММОД 2003, Санкт-Петербург, 2003 г.

29. Пономарев Д.Ю. Учет самоподобия в математической модели простейшего потока вызовов // Вестник НИИ СУВПТ. Сборник научных трудов/ Под ред. проф. Н.В.Василенко. Красноярск. -2001. - Выпуск 6. - С. 91-96.

30. Росляков A.B. Криштофович А.Ю. Математическое описание самоподобного трафика // IV Международная научно-техническая конференция «Цифровая обработка сигналов и её применения». Тезисы докладов М., 2002-Ч.2-С

31. Росляков A.B. Криштофович А.Ю. Способы математического описания самоподобного трафика // IX российская научная конференция ПГАТИ. Тезисы докладов. Самара, 2002 - С.58

32. Росляков A.B. Общеканальная система сигнализации №7. М.: Эко-трендз, 1999

33. Треногин Н.Г., Соколов Д.Е. Фрактальные свойства сетевого трафика в клиент-серверной информационной // Вестник НИИ СУВПТ. Сборник научных трудов, вып. 14 Красноярск, 2003, с. 163-172 2003

34. Цыбаков Б.С. Модель телетрафика на основе самоподобного случайного процесса. Радиотехника №5, 1999

35. Чаки Ф. Современная теория управления Москва, 1975.

36. Чернов В.П., Ивановский В.Б.Теория массового обслуживания -Москва, 2000.

37. Шелухин О.И., Тенякишев А.М, Осин А.В. Фрактальные процессы в телекоммуникациях Радиотехника, Москва 2003.

38. Adrian Popescu Traffic Self-Similarity. University of Karlskrona/Ronnerby, Department of Telecommunications and Signal Processing

39. Anibal D. Angulo Miranda Alessandro Anzaloni LAN/WAN Traffic Modelling-SCI 2001

40. Bolotin V. A. Modeling Call Holdings Time Distribution for CCSN Network Design and Performance Analysis Journal on Selected Areas in Communications 12, pp 433-438, 1994

41. Chang Xinjie T-Y Tan K.R. Subramanian Source Traffic Modeling In OPNET Network Technology Research Center, Nanyang Technological University, Singapore

42. Diane E. Duffy, Allen A. Mcintosh, Mark Rosenstein, Walter Willinger Statistical analysis of CCSN/SS7 traffic data from working CCS subnetworks. IEEE Journal on Selected Areas in Communication, 1994, 12(3), pp 544-551

43. G. Babic, B. Vandalore, R. Jain Analysis and modeling of traffic in modern data communication networks. Ohaio State University, Department of Computer and information Science, 1998

44. Leland W., Taqqu M., Willinger W., and Wilson D., On the Self-Similar nature of Ethernet Traffic (Extended Version), IEEE/ACM Transaction on Networking Vol.2, No. 1, February 1994.

45. Указанные результаты представлены в разделах диссертационной работы «Моделирование трафика сети ОКС №7» и «Управление трафиком общеканальной сети сигнализации №7».

46. Представленные в работе методы приняты ЗАО «Самара Телеком» для практического использования в следующих направлениях:- проектирование телефонной сети общего пользования;- оперативное управление сетью сигнализации ОКС №7.

47. На основе результатов этих исследований прогнозируется пропускная способность сети сигнализации в проектируемой сети, а так же возможность возникновения перегрузок при возникновении аварийных ситуаций на сети ОКС №7.7,

48. В курсе лекций по автоматической коммутации введён раздел о моделировании нагрузки ОКС №7.

49. В материалы курса по сетям ISDN, читаемом в СРТТЦ, введен раздел об управлении сетью ОКС №7.

50. Начальник учебного отдела, к.т.н. Кустова М.Н.

51. Декан факультета ФИСТ, д.т.н., профессор Кораблин М. А.

52. Директор СРТТЦ, к.т.н., доцент Воронков A.A.

53. Зам декана факультета ЭС, доцент Сутягина Л.Н.