Исследование характеристик системы мониторинга сетей связи следующего поколения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Тарасов, Дмитрий Витальевич

• Тарасов, Дмитрий Витальевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тарасов, Дмитрий Витальевич

Сокращения и обозначения.

Введение.

1. Разработка принципов построения системы мониторинга для NGN.

1.1 Функциональная архитектура NGN.

1.2 Функциональная архитектура IMS.

1.3 Функциональная архитектура IPTV.

1.4 Система мониторинга ОКС №7.

1.5 Параметры мониторинга для сети сигнализации SIP.

1.6 Система мониторинга IP сетей.

1.7 Архитектура NMS.

1.8 Выводы.

2. Параметры качества обслуживания в NGN.

2.1. Качество обслуживания в сетях с коммутацией пакетов.

2.2 Качество передачи речи.

2.3. Особенности мониторинга для видеопотоков.

2.4. Параметры для обеспечения требований QoE при передаче видеопотоков.

2.5. Выводы.

3. Разработка методов оценки параметров мониторинга NGN.

3.1 Общая постановка задачи.

3.2 Оценка параметров мониторинга NGN на основании выборки фиксированного объема.

3.2.1 Интервальная оценка.

3.2.2 Проверка гипотезы.

3.3 Задержки и джиттер.

3.4 Оценка параметров функционирования NGN с использованием последовательного анализа.

3.4.1 Принцип получения оценок на основе последовательного анализа.

3.4.2. Первый вариант применения последовательного анализа.

3.4.3. Второй вариант применения последовательного анализа.

3.4.4. Доля потерь и иные подобные параметры.

3.4.5. Использование последовательного анализа для оценки задержки и джиттера.

3.5 Сравнение метода с фиксированным размером выборки и последовательного анализа.

3.6 Выводы.

4. Разработка методов оценки параметров мониторинга для IPTV.

4.1 Общие положения по оценке параметров мониторинга для IPTV.

4.2. Объем выборки при измерении параметра Херста.

4.2.1. Фиксированный размер выборки.

4.2.2. Последовательный анализ.

4.3. Вейвлет анализ.

4.4. Оценка трафика IPTV на основе вейвлет преобразования.

4.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование характеристик системы мониторинга сетей связи следующего поколения»

Концепция сетей связи следующего поколения NGN (Next Generation Network) [16,17,21,23], регламентированная в рекомендациях Сектора Стандартизации телекоммуникаций Международного Союза Электросвязи (МСЭ-Т), предоставляет оператору возможность организации на сети неограниченного числа услуг. Такое свойство NGN с одной стороны чрезвычайно привлекательно для операторов и пользователей, а с другой стороны требует нового подхода к внедрению и эксплуатации NGN и ее фрагментов. В последнее время общепризнанным является тот факт, что особое внимание для обеспечения эффективного внедрения и эксплуатации оборудования и услуг связи следует уделять тестированию [2,3,8,10] и мониторингу [35]. Проблемы обеспечения глобальной совместимости, под которой понимается совместимость, как технических средств, так и услуг, классов и параметров качества обслуживания породили задачи тестирования и мониторинга в NGN [50].

Одной из наиболее сложных задач в рамках обеспечения глобальной совместимости является тестирование и мониторинг видеотрафика. Видеотрафик, являясь по природе самоподобным [33], играет всё большую роль при внедрении услуг NGN. Далее в работе будут рассмотрены особенности видеотрафика для NGN, в которой услуги по передаче видео реализуются в основном на базе технологии IPTV. В основе изучения особенностей трафика IPTV в данной работе лежат результаты измерений, проведенных на модельной сети.

Особая важность проблем тестирования и мониторинга технических средств NGN определяется следующим:

1. Увеличение номенклатуры выпускаемого оборудования вследствие роста доли применяемого программного продукта в создании технических средств электросвязи, а также большей открытости рынка

2. Сокращение сроков разработки и внедрения новых услуг.

3. Отставание процесса стандартизации от процессов разработки и внедрения, увеличение доли корпоративной нормативной документации;

4. Увеличение стоимости мониторинга и тестирования по сравнению с сетями с коммутацией каналов из-за большей сложности применяемого оборудования.

Системным вопросам построения, тестирования и мониторинга NGN посвящены работы Б.С.Гольдштейна, А.Е. Кучерявого, Н.А.Соколова, А.Б. Васильева, В.О.Пяттаева, A.JI. Цуприкова и др. В достаточной степени на сегодняшний день развита теория и практика тестирования технических средств NGN. Что же касается системы мониторинга NGN как таковой, то до последнего времени практически отсутствовали как системные решения по ее разработке, так и исследования характеристик, в том числе оценивания параметров мониторинга по результатам измерений, рациональных значений интервалов агрегирования данных при обработке результатов измерений и т.д. Усугубляет ситуацию с решением проблем мониторинга NGN и то, что трафик в сетях связи следующего поколения приобрел ярко выраженный характер самоподобия, что особенно присуще видеотрафику и его основной составляющей - трафику IPTV. Последнее требует углубленного изучения характеристик трафика IPTV, что возможно осуществлять на модельной сети, и разработки соответствующих методов его адекватного представления по результатам измерений. Важно также отметить, что в последние годы Сектор стандартизации Международного Союза Электросвязи при анализе проблем мониторинга IPTV концентрирует внимание не только на мониторинге собственно технических средств, но и на возможности мониторинга контента IPTV.

С учетом изложенного, целью диссертационной работы является разработка архитектуры системы мониторинга NGN и исследование ее характеристик, в том числе и для мониторинга трафика IPTV.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- анализ развития сетей связи общего пользования на этапе реализации концепции NGN,

- анализ функциональных архитектур NGN и IMS и предоставления услуг IPTV на основе рекомендаций и проектов рекомендаций МСЭ-Т,

- разработка архитектуры системы мониторинга NGN на базе проведенного анализа,

- анализ параметров качества обслуживания, в том числе для IPTV, подлежащих мониторингу в NGN,

- разработка методов оценки параметров качества обслуживания для системы мониторинга NGN,

- разработка метода оценки параметра Херста для трафика IPTV в системе мониторинга NGN,

- экспериментальные исследования различных по длительности фрагментов трафика IPTV,

- определение рационального интервала агрегирования данных при мониторинге трафика IPTV,

- исследование характеристик обслуживания измеренного трафика, модельного трафика на основе метода ON/OFF и модельного трафика на основе обратного вейвлет преобразования в системе G/M/1.

Поставленные задачи решены с использованием методов теории вероятностей, математической статистики, теории массового обслуживания и вейвлет преобразований.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана архитектура системы мониторинга NGN с учетом эволюционного характера развития сети и комплексного использования как инвариантных по отношению к техническим средствам NGN подсистем, так и зависимых от них.

2. Предложено для практических целей при оценке джиттера использовать его определение через квантили распределения задержки. Разработан метод оценки джиттера посредством формирования вариационного ряда с последующим симметричным его урезанием.

3. Доказано асимптоматическое самоподобие трафика IPTV и на основе полученной по результатам экспериментальных исследований зависимости параметра Херста от интервала агрегирования определено рациональное значение интервала агрегирования данных для систем мониторинга NGN.

4. Предложено для сравнения различных аппроксимаций трафика IPTV, а также его измеренных реализаций, использовать характеристики процесса обслуживания такого трафика - среднюю длину очереди и функцию распределения длины очереди - в системе G/M/1.

5. Доказано, что существующий метод создания модельного трафика ON/OFF не обеспечивает адекватного представления трафика IPTV, в то время как при использовании обратного вейвлет преобразования модельный трафик с достаточной для практики степенью точности отображает реальный трафик IPTV.

Практическая значимость работы. На основе полученных в работе результатов разработана рекомендация МСЭ-Т Q.3902 «Параметры мониторинга при внедрении технических средств NGN на сетях связи общего пользования», а также в исследовательском периоде 2009-2012 г.г. открыт новый вопрос Q.9/11 «Параметры мониторинга для протоколов NGN».

Полученные результаты использованы также при разработке рекомендации МСЭ-Т Q.3925 "Виды потоков трафика, которые должны быть сгенерированы на модельной сети для тестирования параметров QoS

13 для речи, данных и видео".Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в СПб ГУТ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

- 62-ой Научно-технической конференции, посвященной Дню Радио, 17 апреля 2007г., С-Петербург,

- 64-ой Научно-технической конференции, посвященной Дню Радио, 21 апреля 2009г., С-Петербург,

- Международной конференции NEW2AN, 18-22 сентября 2009г., С-Петербург,

- заседаниях 11-ой Исследовательской комиссии (23-27 апреля 2007г., Женева, 19-23 января 2008г.,Сеул).

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 19 печатных работах, в том числе одной книге и 12 вкладах в МСЭ-Т.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 136 страницах, содержит 36 рисунков и список литературы из 102 наименований.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Тарасов, Дмитрий Витальевич

Основные результаты данной работы сводятся к следующим положениям:

1. Одним из важнейших свойств развития сетей связи общего пользования является эволюционность, необходимая в настоящее время при начале внедрения концепции NGN и одного из вариантов ее реализации - IMS. Система мониторинга, являющаяся необъемлемой частью сетей связи, естественным образом эволюционируют вместе с сетью, что отображается в системе мониторинга NGN в виде как подсистемы ОКС №7, так и подобной ей подсистемы мониторинга SIP.

2. Принципиально иная сложность NGN по сравнению с цифровой сетью требует при сохранении эволюционного характера развития системы мониторинга использовать при ее построеннии не только инвариантные по отношению к техническим средствам (производителям) подсистемы, но и зависимые от технических средств (производителей).

3. Система мониторинга NGN создается, в основном, на базе пассивных методов мониторинга, поскольку реальное масштабное внедрение активных методов мониторинга затруднено в связи с необходимостью мониторинга в NGN, в том числе и самоподобного трафика IPTV.

4. Разработана архитектура системы мониторинга NGN, принятая и рекомендованная к настоящему времени МСЭ-Т.

5. Разработана методология оценки параметров мониторинга NGN. При этом рассмотрены две основные подзадачи: получение оценок, которые с определенной достоверностью представляют параметры функционирования, и проверка на соответствие установленному нормативному значению. Определено необходимое число испытаний при использовании фиксированной выборки, функции правдоподобия и математическое ожидание числа испытаний при использовании последовательного анализа для параметров мониторинга NGN.

6. Предложено для практических целей при оценке джиттера использовать его определение через квантили распределения задержки. Разработан метод оценки джиттера посредством формирования вариационного ряда с последующим симметричным его урезанием.

7. Определено необходимое число испытаний при использовании фиксированной выборки, функция правдоподобия и математическое ожидание числа испытаний при использования последовательного анализа для мониторинга параметра Херста.

8. Доказано асимптотическое самоподобие трафика IPTV и на основе полученной по результатам экспериментальных исследований зависимости параметра Херста от интервала агрегирования определено рациональное значение интервала агрегирования данных для систем мониторинга NGN.

9. Предложено для сравнения различных аппроксимаций трафика IPTV, а также его измеренных реализаций, использовать характеристики процесса обслуживания такого трафика - среднюю длину очереди и функцию распределения длины очереди - в системе G/M/1.

10. Доказано, что существующий метод создания модельного трафика ON/OFF не обеспечивает адекватного представления трафика IPTV, в то время как при использовании обратного вейвлет преобразования модельный трафик с достаточной для практики степенью точности отображает реальный трафик IPTV.

По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ. Результаты внедрены в рекомендации МСЭ-Т и учебный процесс СПб ГУТ, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тарасов, Дмитрий Витальевич, 2012 год

1. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения //УФН. 1996. - Т. 166. - № 11. - С. 1145-1170.

2. Д.В. Андреев, Д.В. Тарасов, А.Е. Кучерявый. Модельные сети для тестирования технических средств сетей связи следующего поколения. Рекомендация Q.3900. Электросвязь, №12, 2007.

3. Д.В.Андреев, Д.В.Тарасов, А.Е.Кучерявый. Рекомендации МСЭ-Т по тестированию технических средств NGN. 62-я Научно-техническая конференция, посвященная Дню Радио. Труды конференции. Апрель 2007. С.-Петербург, издательство СПб ГЭТУ «ЛЭТИ».

4. Дж. Бендат, А. Пирсол. Прикладной анализ случайных данных. М. «Мир», 1989 г.

5. A.A. Боровков Математическая статистика. Оценка параметров, проверка гипотез. М. «Наука», 1984 г.

6. А. Вальд. Последовательный анализ. М., Физметгиз, 1960.

7. А.Б. Васильев, С.П. Соловьёв, А.Е. Кучерявый. Системно-сетевые решения по внедрению технологии NGN на Российских сетях связи. Электросвязь, № 3, 2005.

8. А.Б. Васильев, Д.В. Андреев, Д.В. Тарасов, А.Е. Кучерявый. Тестирование технических средств NGN. М., ЦНИИС, 2008.

9. А.Б.Васильев. А.Е.Кучерявый. Технология NGN как основа внедрения универсальной услуги. Материалы 9-ой Международной конференции "Региональная информатика". СПб, 22-24 июня, 2004.

10. А.Б.Васильев. Оценка качества обслуживания при тестировании. 61-я Научно-техническая конференция, посвященная Дню Радио. Труды конференции. Апрель 2006. С.-Петербург, издательство СПб ГЭТУ «ЛЭТИ».

11. Б.Л. Ван Дер Варден. Математическая статистика. М., «Издательство иностранной литературы», 1960 г.

12. Г.В. Вемян. Передача речи по сетям электросвязи. М. Радио и связь, 1985.

13. Е.С. Вентцель, J1.A. Овчаров. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. М., «Высшая школа», 2000 г.

14. Б.Г. Володин, М.П. Ганин, И .Я. Динер, Л.Б. Комаров, A.A. Свешников, К.Б. Старобин. Сборник задач по теории вероятностей, математической статистике и теории случайных функций. М. «Наука», 1965 г.

15. И.И. Гихман, A.B. Скороход, М.И. Ядренко. Теория вероятностей и математическая статистика. Киев, «Вища школа», 1979 г.

16. А.Б. Гольдштейн, Б.С. Гольдштейн. SOFTSW1TCH//Cn6.: BHV-2006

17. Б.С. Гольдштейн, H.A. Соколов, Г.Г. Яновский. Сети связи. Учебник для ВУЗов // СПб.: БХВ-Петербург, 2011.

18. А.Я. Городецкий, B.C. Заборовский. Информатика. Фрактальные процессы в компьютерных сетях. Учебное пособие. Издательство СПбГТУ, Санкт-Петербург, 2000 г.

19. И.А. Зюльков. Самоподобные свойства трафика систем с повторными вызовами. Воронежский государственный университет, Вестник ВГУ, Серия физика, математика, 2002, №1.

20. П.В. Козлов, Б.Б. Чен. Вейвлет-преобразования и анализ временных рядов. http://\v\v\v.krsu.cdu.kg/vestnik/2QQ2/v2/al 5.html

21. А.Е. Кучерявый, J1.3. Гильченок, А.Ю. Иванов. Пакетная сеть связи общего пользования. «Наука и техника», С.-Петербург, 2004.

22. А.Е. Кучерявый, JI.3. Гильченок-. Системы коммутации пятого поколения. «Электросвязь», №3, 2005.

23. А.Е. Кучерявый, A.JI. Цуприков. Сети связи следующего поколения. Центральный научно-исследовательский институт связи (ЦНИИС), Москва, 2006.

24. А.Е. Кучерявый, A.A. Станкевич. Пакетная сеть связи общего пользования. Дифференцирование услуги. ГУТ, СПб, учебное пособие, 2004.

25. А.Е. Кучерявый, A.A. Станкевич, А.Ю. Иванов. Протоколы SIP и SIP-Т. ГУТ, СПб, учебное пособие, 2005.

26. Е.А. Кучерявый. А.Е. Кучерявый. Современный инструментарий для исследований в области телекоммуникаций. 62-я Научно-техническая конференция, посвященная Дню Радио. Труды конференции. Апрель 2007. С.-Петербург, издательство СПб ГЭТУ «ЛЭТИ».

27. А.Е. Кучерявый, А.И. Парамонов, Е.А. Кучерявый. Сети связи общего пользования: тенденции развития и методы расчета. Центральный научно-исследовательский институт связи (ЦНИИС), Москва, 2008.

28. Е.А. Кучерявый. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет. Наука и техника, С.-Петербург, 2004.

29. Е.А. Кучерявый, Я. Харью, А.Е. Кучерявый. Особенности структуры сети с коммутацией пакетов и гарантированным качеством обслуживания абонентов. International Conference "Intelligent Network 2000". Proceedings, Moscow, 2000.

30. Е.А. Кучерявый, А.Е. Кучерявый, Я. Харью. Качество обслуживания в сетях Интернет. «Электросвязь», №1, 2002.

31. Б.С. Лившиц, А.П. Пшеничников, А. Д. Харкевич. Теория телетрафика. М., Связь, 1979 г.

32. Сонечкин Д.М., Даценко Н.М., Иващенко H.H. Оценка тренда глобального потепления с помощью вейвлетного анализа // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1997. - Т.ЗЗ. - № 2. - С. 184-194.

33. Д.В. Тарасов, А.И. Парамонов, А.Е.Кучерявый. Особенности видеотрафика для сетей связи следующего поколения. Электросвязь, 2009.

34. Д.В. Тарасов, Д.В.Андреев, А.Е. Кучерявый. Рекомендации МСЭ-Т по тестированию технических средств NGN. (тезисы доклада). 62-я129

35. Научно-техническая конференция, посвященная Дню Радио. Труды конференции. Апрель 2007. С.-Петербург, издательство СПб ГЭТУ «ЛЭТИ».

36. Д.В. Тарасов, А.И, Парамонов, А.Е. Кучерявый. Система мониторинга NGN и мониторинг значений параметра Херста. 64-я Научно-техническая конференция, посвященная Дню Радио. Труды конференции. Апрель 2009г. С-Петербург, издательство СПБ ГЭТУ «ЛЭТИ».

37. Б.С. Цыбаков. Модель телетрафика на основе самоподобного случайного процесса. М: «Радиотехника», 1999 г., №5.

38. М.А. Шнепс Шнеппе. Интернет-телефония: протокол SIP и его применение. М., Макс-Пресс, 2002.

39. Г.Г. Яновский. IP Multimedia subsystem: принципы, стандарты и архитектура. Вестник связи №3, 2006.

40. A.S. Adjemov, А.Е. Koucheryavy, S.P. Soloviev, I.G. Mazine. SSN7 Testing on a Russian Network. XVI ISS, Proceedings. September 21-25, Toronto, Canada, 1997.

41. Mark E.Crovella, Azer Bestavors. Self-Similarity in Wide Web Traffic: Evidence and Possible Causes. IEEE/ACM Transaction on Networking, Vol 5, Number 6, December, 1997.

42. J. Delaney. The Use of SIP in Communication Network. Journal of Communication Network, v.l, p.l, April-June 2002.

43. V.K. Gurbani, R. Jain. Transport Protocol Consideration for Session Initiation Protocol Networks. Bell Labs Technical Journal. №9 (1), 2004.

44. Gary N. Higginbottom. Perfomance Evalution of Communication Networks. Artech House, 1998.

45. By David Heath, Sidney Resnick and Gennady Samorodnitsky How System Performance Is Affected By The Interplay Of Averages In A Fluid Queue With Long Range Dependence Induced By Heavy Tails The Annals of Applied Probability 1999, Vol. 9, No. 2, 352(375}.

46. Kihong Park SelfSimilar Network Traffic: An Overview Walter Willinger Information Sciences Research Center:, AT&T LabsResearch, Florham Park, NJ

47. A.Koucheryavy, A.Paramonov. Simulation method for telephone operators group performance analysis. VITEL 2000, Proceedings. October 16-17, Ljubljana, Slovencia.

48. A.Koucheryavy, Yim Chu-Hwan, Gilchenok L, Moiseev S. Overlay IPOP-network for Russia PSTN. The 2nd International Conference on Advanced Communication Technology. ICACT-2000. Proceedings, Muju Resort, Korea. February 16-18, 2000.

49. A.Koucheryavy, Y.Koucheryavy. A. Vasiliev, S. Soloviev. The Public Packet-Switched Network with Guarented QoS Based on DiffServ Domain Hierarchy. ICACT' 2006, Proceedings, 20-22, February, Phonenix Park, Korea.

50. A.Koucheryavy, L.Gilchenok, V. Piattaev. New solutions for the rural telecommunication development. International Telecommunication Union. Telecom World Forum, Forum Proceedings, Geneva, 12-18 October, 2003.

51. A. Koucheryavy, Networks Interoperability. The 11th ICACT Proceedings. Phoemix Park, Korea, Feb. 15-18,209.

52. Y.Koucheryavy, Moltchanov D., Harju J. A Top-Down Approach to VoD Traffic Transmission Over DiffServ Domain Using the AF PHB Class, IEEE ICC'2003, Anchorage, Alaska, USA, May 2003.

53. Y.Koucheryavy, D. Moltchanov, J. Harju. Analytical Estimation of EF PHB Service Parameters for Aggregated MPEG Traffic, in Proc. of the 16th Nordic Teletraffic Seminar, NTS'02, Espoo, Finland, August 2002.

54. Y.Koucheryavy, D. Moltchanov, J. Harju. Atop-Down Approach to VoD Traffic Transmission Over DiffServ Domain Using the AF PHB Class, in Proc. of the IEEE International Conference Communications, ICC'-03, Anchorage, Alaska, USA, May 2003.

55. K.O. Lee. Reference Model of Broadband convergence Network in Korea. Yoint ZNIIS-ETRI Seminar. ETRI, Korea, 18 January, 2008.

56. Shaesub Lee. Key Feature of ITU-T NGN and future vision. ITU-D/ITU-T Seminar on Standardization and Development of Next Generation Network for Arab Region. Manama (Bahrain), 29 April-2 May 2007.

57. V. Petroff. Self-Similar Network Traffic: From Chaos and Fractals to Forecasting and QoS NEW2AN, St. Petersburg, Russia.

58. Recommendation P.10/G.100. Amendment 1. Detinition of Quality of Experience (QoE). ITU-T, Geneva, January, 2007.

59. ITU-T Recommendation Q.3901. "Distribution of tests and services for NGN technical means testing in model and operator networks", 2008.

60. Recommendation G.107. The E-model, a computational model for use in transmission planning. ITU, 2005.

61. Recommendation P.800. Methods for subjective determination transmission quality. ITU, 1996.

62. Recommendation P.800.1 Mean Opinion Score (MOS) terminology. ITU, 2006.

63. Recommendation Q.752. Monitoring and measurements for Signalling System №7 networks. ITU-T, Geneva, June, 1997.

64. Recommendation Q.3900. Methods of testing and model network architecture for NGN technical means testing as applied to public telecommunication networks. Geneva, ITU-T, September, 2006.

65. Recommendation Q.3902. Operational parameters to be monitored when implementing NGN technical means in public telecommunication networks. Geneva, ITU-T, January, 2008.66.