Модели защиты от перегрузок в узлах управления услугами CAMEL тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.13, кандидат технических наук Ньянг Будал

• Ньянг Будал
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ньянг Будал

СОДЕРЖАНИЕ.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Проблематика защиты от перегрузок при реализации интеллектуальных услуг CAMEL.

1.1. Особенности трафика интеллектуальных услуг CAMEL.

1.2. Перегрузки серверов в системах клиент-сервер.

1.3. Проблемы исследования перегрузок в интеллектуальных сетях.

1.4. Модели исследования.

1.5. Проблематика диссертационной работы.

1.6. Выводы.

ГЛАВА 2. Аналитические модели и исследование перегрузки в узлах управления услугами CAMEL.

2.1. Анализ функциональной модели системы управления услугами CAMEL.

2.2. Математическая модель системы защиты от перегрузок в узлах управления услугами CAMEL.

2.3. Аналитические методы исследования вероятностно-временных характеристик.

2.4. Пример расчетов.

2.5. Расчеты задержки в Интеллектуальной сети.

2.6. Определение пропускной способности каналов.

2.7. Выводы.

ГЛАВА 3. Разработка механизмов защиты от перегрузок в узлах управления услугами CAMEL.

3.1. Защита от перегрузок в узлах управления услугами CAMEL.

3.2. Система обслуживания без управления защитой от перегрузок.

3.3. Модель защиты от перегрузки путем блокировки обращений.

3.4. Модель управления защитой от перегрузок путем задержки пребывания запросов в системе.

3.5. Сравнение механизмов защиты от перегруз ок.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. Экспериментальный анализ производительности защиты от перегрузок в узлах управления услугами CAMEL.

4.1. Системы ограничения нагрузки в узлах управления услугами CAMEL.

4.2. Система контроля нагрузки шлюза CAMEL «Trafic Manager».

4.3. Обзор интеллектуальных услуг на базе технологии CAMEL.

4.4. Использование технологии CAMEL.для управления услугами в сетях IMS.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели защиты от перегрузок в узлах управления услугами CAMEL»

Актуальность исследований. Сегодня сфера телекоммуникаций проходит период фундаментальных изменений, таких как постоянный рост скоростей передачи, мобильность пользователей и усложнение услуг. В то же время, мы являемся свидетелями роста телекоммуникационной отрасли, выраженного в увеличении как количества пользователей и приложений, так и объема информационных потоков.

По мере увеличения количества услуг, внедренных Операторами связи, все более важной и сложной задачей становится управление сетевыми ресурсами для того, чтобы обеспечить необходимое качество услуг, предоставляемых абонентам. Особенно сложным является планирование интеллектуальных услуг на базе технологии CAMEL, которые, без ущерба для качества, могли бы гибко адаптироваться к изменению требований к использованию сетевых ресурсов. Именно этой причиной объясняется тот факт, что ситуация с перегрузкой элементов и узлов CAMEL периодически возникает в сети того или иного Оператора. Такие перегрузки, помимо того, что значительно снижают качество предоставляемой услуги, еще и ведут к крайней неудовлетворенности абонентов и приобретению ими негативного опыта при использовании CAMEL-услуг, что в дальнейшем может отразиться на популярности той или иной услуги, и, как следствие, на доходах Оператора. Последнее особенно важно в условиях открытого и насыщенного телекоммуникационного рынка, когда конкуренция между игроками идет практически за каждого абонента, и вопросы качества предоставляемых услуг начинают играть в этой борьбе все большую роль.

Задача стратегии управления нагрузкой - обеспечить оптимальное использование сетевых ресурсов в условиях, заданных физической и логической структурой контролируемой сети. Сети изначально разрабатываются для того, чтобы обеспечить оптимальное использование их ресурсов при обработке трафика определенной модели, под которую сети и проектируются. Однако новые услуги, внедряемые Операторами, и изменение поведения пользователей приводят к тому, что структура трафика изменяется, и сети становятся более чувствительными к перегрузкам. Данные, получаемые при контроле перегрузок, могут быть использованы для автоматического выявления долгосрочных тенденций, связанных с изменением структуры трафика, и формирования рекомендаций, касающихся перераспределения сетевых ресурсов.

В перспективных сетях, поддерживающих широкий спектр мультимедийных услуг, плата за пользование услугами будет начисляться (в том числе) на основе той полосы пропускания, которая выделяется пользователю (по аналогии с тем, как это сейчас происходит у провайдеров широкополосного доступа в Интернет), или которая фактически используется в процессе доступа к тем или иным услугам.

Более того, весьма вероятно, что цена полосы пропускания будет варьироваться сервис-провайдером в зависимости от окружающих условий (например, нагрузки сети), что может внести ценный вклад в оптимизацию ценообразования. В частности, при внедрении такой стратегии станет возможным детектировать изменения в поведении пользователей и, например, рекомендовать эксплуатирующему персоналу в определенных ситуациях увеличить цену полосы пропускания, с тем чтобы «охладить пыл» пользователей и тем самым снизить риск возникновения перегрузки. Цели и задачи диссертации. Целью диссертации является разработка моделей управления защитой от перегрузок узлов управления услугами CAMEL, а также исследование вероятностно-временных характеристик (ВВХ) систем такой защиты (и то, и другое - применительно, главным образом, к СПС).

Это исследование включает в себя разработку методов оценки вероятностно-временных характеристик систем защиты от перегрузок в узлах управления услугами CAMEL и определение рационального варианта модели защиты от перегрузок при известных исходных данных.

11

Исследование включает в себя разработку методов и механизмов защиты от перегрузок в серверах CAMEL и сравнение системы обслуживания без управления защитой от перегрузок с системой, в которой управление защитой от перегрузок предусмотрено.

Названная цель вызвала необходимость решения следующих задач:

1. Анализ методов и исследование механизмов защиты от перегрузок в системах «клиент-сервер»; построение структурно-функциональной модели системы управления услугами CAMEL.

2. Разработка математической модели организации управления защитой от перегрузок в узлах управления услугами CAMEL и аналитические вычисления характеристик управления защитой.

3. Оценка ВВХ обслуживания для сетей с разным количеством узлов; оптимизация характеристик управления защитой от перегрузок в узлах * управления услугами CAMEL.

4. Сравнительный анализ ВВХ системы обслуживания с управлением защитой от перегрузок и с системой без управления.

5. Разработка метода расчёта эффективности узлов CAMEL и пропускной способности каналов сигнализации/управления.

Состояние вопроса. Исследованию модели защиты от перегрузок в интеллектуальных сетях (Ш) посвящен ряд работ [16,24,30,31,33], однако в этих работах акцент делается на сигнализации ОКС7 для фиксированных сетей ТфОП, на поиске в них оптимальных маршрутов и обходных путей.

Кроме того, в работах [51,52,54,55,56] проводятся исследования систем предоставления услуг связи с использованием моделей защиты от перегрузок в классических Интеллектуальных сетях. Во всех этих работах акцент делается исключительно на исследовании механизмов управления такой защитой в фиксированной сети связи.

Методы исследования. В исследовании использованы методы теории массового обслуживания, в частности теории очередей, методы алгоритмического моделирования с использованием сетей Джексона и модели и методы оптимизации систем.

Научная новизна диссертационной работы заключается в предложенной модели управления защитой от перегрузок в узлах управления услугами CAMEL, в новых методах и результатах исследования управления этой защитой и в анализе задержек во время перегрузки в узлах CAMEL. Личный вклад. Все результаты, составляющие содержание работы, получены автором лично. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит основная роль в постановке и решении задач и при обобщении полученных результатов.

Практическая ценность результатов работы. Полученные формулы, методы, алгоритмы позволяют найти оптимальные параметры и вычислить характеристики, определяющие качество предоставления интеллектуальных услуг на базе технологии CAMEL.

Теоретические исследования, выполненные в работе, доведены до инженерных решений. Основные результаты работы использованы в НТЦ Протей при построении платформы интеллектуальных услуг на базе технологии CAMEL, реализованных в сети Оператора ОАО «Мегафон». Использование результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и были одобрены на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ, на 59-й, 60-й и 61-й научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ, на двух конференциях AFRICACOM «South Africa», на конференции «Joint Advanced Student School: The Turbo Principle in Communications», а также на заседаниях кафедры Систем коммутации и распределения информации СПбГУТ в 2005, 2006, 2007, 2008 и 2009 годах.

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы, опубликованы в изданиях научно-технических конференций и в журналах отрасли - всего в 5 работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем пояснительной записки 116 страниц, 36 иллюстраций, 5 таблиц, список литературных источников насчитывает 59 наименований. В качестве приложений приведены акты о внедрении результатов диссертационной работы. Основные положения, выносимые на защиту:

Заключение диссертации по теме «Телекоммуникационные системы и компьютерные сети», Ньянг Будал

4.5. Выводы

В четвертой главе диссертации получены следующие результаты.

1. Рассмотрены системы IN на базе CAMEL, реализующие ряд механизмов управления защитой от перегрузок при разных источниках нагрузки.

2. С использованием математических моделей и методов расчёта ВВХ, предложенных в 2 и 3 главах диссертационной работы, получены основные оценки эффективности работы системы.

3. Решена задача оптимизации средней задержки в шлюзах CAMEL «ПРОТЕЙ» с использованием аналитических методов, определенных во второй главе диссертационной работы.

4. Дан обзор интеллектуальных услуг на базе технологии CAMEL.

5. Показан вариант использования технологии CAMEL для управления услугами в сетях IMS.

6. Рассмотрены перспективные системы защиты от перегрузок для узлов управления услугами CAMEL в конвергентной сети (GSM + IMS).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрены модели защиты от перегрузок в узлах управления услугами CAMEL. Исследованы аналитические методы анализа вероятностно-временных характеристик защиты от перегрузок в этих узлах.

Получены следующие основные результаты:

1. Функциональная модель объекта исследования диссертационной работы - системы управления услугами CAMEL, учитывающей алгоритмы реализации услуг CAMEL и основные характеристики функционирования систем реализации услуг: производительность, задержка сообщений и время ответа, определенные в соответствии с рекомендациями ETSI.

2. Аналитические модели защиты от перегрузок, применяемые для управления нагрузкой в Интеллектуальных сетях. В качестве аналитического метода исследования ВВХ выбрана теория открытых сетей Джексона. С использованием основной теоремы для открытых сетей в общем виде, получены формулы для вычисления характеристик системы: средняя задержка, производительность, средняя длина очереди.

3. Разработаны два метода защиты от перегрузок в узлах управления услугами CAMEL: метод блокировки запросов и метод задержки запросов т.е. создание внешнего буфера.

4. Поставлена и решена задача определения задержки в системе, проведен анализ пропускной способности системы. Исследованы показатели эффективности управления защитой от перегрузки при входящей связи.

5. Выполнено 'сравнение двух методов защиты от перегрузок в интеллектуальных узлах. Доказана эффективность комбинированной защиты при значительных нагрузках и большом разнообразии услуг.

6. Рассмотрены системы IN на базе CAMEL, реализующие ряд механизмов управления защитой от перегрузок при разных источниках нагрузки.

7. Исследованы зависимости основных характеристик систем от исходных параметров.

8. Рассмотрены перспективные системы защиты от перегрузок для узлов управления услугами CAMEL в мобильных сетях GSM/UMTS.

9. Разработанные аналитические методы применены для разработки и внедрения механизмов управления защитой от перегрузок в узлах управления услугами CAMEL при разных источниках нагрузки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ньянг Будал, 2009 год

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

2. Гольдштейн Б.С., Фрейнкман В.А. Предоплаченные услуги мобильной связи. «Вестник связи» №4, 2000.

3. Дымарский Я.С. Задачи и методы оптимизации сетей связи: Учеб. пособие. СПб: СПбГУТ, 2005. - 207 с.

4. Дымарский Я.С., Крутякова Н.П., Яновский Г.Г. Интеллектуальные сети и компьютерная телефония. М.: Радио и связь, 2001. 238 с.

5. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: «Мир». 1979.

6. Клейнрок Л. Теория Массового Обслуживания. М.: «Машиностроение». 1979.

7. Кучерявый Е.А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет. М.: Наука и техника, 2004.

8. Лихтциндер Б.Я., Кузякин М.А., Росляков А.В. Интеллектуальные сети связи. М.: «Эко-Трендз», 2000.

9. Приказ Мининфомсвязи России от 03.10.2006 № 128 «Об утверждении Правил применения оборудования, реализующего с помощью прикладных подсистем сигнализации по общему каналу (ОКС7) функции коммутации и управления услугами связи».

10. Росляков А., Титов А. Оценка сигнальной нагрузки на сеть ОКС7 от интеллектуальных услуг на базе технологии CAMEL, Мобильные Телекоммуникации 06-07, 2007.

11. Росляков А.В. Общеканальная система сигнализации №7. М.: «Эко-Трендз», 2002.

12. Фрейнкман В.А. CAMEL Gateway: эффективный инструмент для предоставления новых услуг // "Mobile Communications International Russian Edition". 2004. - №2.

13. Фрейнкман В.А. Как предоставить интеллектуальные услуги абонентам prepaid? Влияние конвергентного биллинга на архитектуру сервисных платформ. «Мобильные системы» №5, 2005.

14. Фрейнкман В.А. Общение без границ. Современные услуги в сетях операторов мобильной связи // Мир Связи. «Connect!» 2004. - №9.

15. Фрейнкман, В.А. Союз стандартизации и уникальности. Современные подходы к предоставлению интеллектуальных услуг в сетях GSM / В.А. Фрейнкман // Connect! Мир связи. 2005. №11. С. 60-61.

16. А. Нас, and L. Gao, Congestion Control in Intelligent Networks, IEEE International Performance, Computing & Communications Conference, pp. 279-283, 1998.

17. A. A. lazar and T.G. Robertazzi, "The Geometry of Lattices for Markovian Queuing Networks" Columbia Research Report, July 1984.

18. B. Wallstrom, "A Feedback Queue with Overload Control," ITC 10, Tenth International Teletraffic Congress, Montreal, June 1983, Session 1.3 paper 4.

19. B.T. Doshi and H. Heffes, Analysis of Overload Control Schemes for a Class of Distributed Systems,, ITC 10, Tenth International Teletraffic Congress, Montreal, June 1983, Session 5.2, paper 2.

20. B.T. Doshi and H. Heffes, Comparison of Control Schemes for a Class of distributed Systems, 21st IEEE Conf. on Decision and Control, Orlando, Fla. Dec. 1982.

21. Bakshi Y. et al. Overload control in a distributed system // ITC15 Proceedings, 1997.

22. Brendan.Jennings. Network-oriented Load Control for SS.7/IN. PhD thesis, April 4th 2001.

23. D. E. Smith, Ensuring Robust Call Throughput and Fairness for SCP Overload Controls, IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol. 3. No. 5, pp. 538-548,1995.

24. F. Basket et al, "Open, Closed, and Mixed Networks of Queues with Different Classes of Customers", ACM, vol. 22, № 2,1975, 248-260.

25. F. Lodge, D. Botvich, and T. Curran, A Fair Algorithm for Throttling Combined IN and non-IN Traffic at the SSP of the Intelligent Network,

26. Proceedings of Intelligence in Service & Networks (IS&N'98), Antwerp, Belgium, 1998.

27. F.P. Kelly, Reversibility and Stochastic Networks, John Willey& Sons, Chichester, U.K. 1979.

28. Gonzalo Camarillo and Miguel-Angel Garcia-Martin, The 3G IP multimedia subsystem (IMS): merging the internet and the cellular worlds. John Wiley & Sons: Chichester, 2004.

29. H. Kawamura, and E. Sano, A Congestion Control System for an Advanced Intelligent Network, Proceedings of NOMS '96 IEEE Network Operations and Management Symposium, Kyoto, pp. 628-631, 1996.

30. H. Kobayashi, Modeling and Analysis: An Introduction to System Performance Evaluation Methodology, Addison-Wesley, Reading, Mass., 1978.

31. ITC 10, Session 5.2, Overload Control, Tenth International Teletraffic Congress, Monreal, June 1993.

32. ITC 9, Ninth International Teletraffic Congress, Montreal, June 1979.

33. ITU-T E.800, Terms and definitions related to quality of service and network performance including dependability, 1994.

34. J. Bedoy et al, Study of Control Mechanisms for the Effective Delivery of IN Services, IEEE International Communication Conference (ICC'98), pp. 1738-1742, 1998.

35. Jackson J.R. Jobshop-like queueing systems. Management Science, vol. 10, №1, pp. 131-142, 1963.

36. Jackson J.R. Networks of waiting lines. Operations Research, Vol. 5. 518521. 1957.

37. Jackson J.R. Queueing system with phase type service. Operation Research Quarterly, vol. 5 pp. 109-120, 1954.

38. L.J. Forys, Performance Analysis of a New Overload Strategy, ITC 10 Session 5.2, Tenth International Teletraffic Congress, Montreal, June 1983 Session 5.2, paper 4.

39. Lodge F., An Investigation into Intelligent Network Congestion Control Techniques, PhD Thesis, Dublin City University, Ireland, 2000.

40. M. Eisenberg, A Strict Priority Queuing System with Overload Control, ITC 10, Tenth International Teletraffic Congress, Montreal, June 1983, Session 1.3.

41. M. Kihl, and C. Nyberg, Investigation of Overload Control Algorithms for SCPs in the Intelligent Network, IEE Proceedings-Communications, Vol. 144, No. 6, pp. 419-424, 1997.

42. Manfield D. R. and M. Zukerman, Analysis of congestion onset thresholds for CCITT SS7 networks, in Proceedings of the 1992 IEEE Conference on Global Telecommunications(Globecom'92), December 1992.

43. Manfield D. R., G. K. Millsteed and M. Zukerman, Performance Analysis of SS7 Congestion Controls under Sustained Overload, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 12, no. 3, pp. 405-414, April 1994.

44. McMillan D. and M. Rumsewicz, Analysis of Congestion Control for SCCP Traffic & the Impact on Intelligent Network Services, in Proceedings of IEEE 1996 Intelligent Network Workshop (IN'96), Melbourne, Australia, 1996.

45. Mischa Schwartz and S. Saad, Analysis of Congestion Control Techniques in Computer Networks, Versailles, France, Feb. 1979.

46. Mischa Schwartz, Telecommunication Networks: Protocols, Modeling and Analysis. Addison Wesley Publishing Company - 1987.

47. Nyberg H. and В. Olin, Load Control of an SCP in the Intelligent Network, in Proceedings of the Australian Telecommunication Network and Applications Conference, Melbourne, Australia, December 1994.

48. Nyberg H. and B. Olin, Load Control of Data Bases in the Intelligent Network, in Proceedings of the 12th Nordic Teletraffic Seminar, Espoo, Finland, 1995.

49. Philip Ginzboorg, Methods to synchronize the IN SCP's overload protection mechanism, Nokia Research Center.

50. Rogier Noldus, CAMEL: Intelligent Networks for the GSM, GPRS and UMTS Networks, Ericcson Telecommunications, The Netherlands, 2006.

51. X. H. Pham and R. Betts, Congestion Control in Intelligent Networks, Computer Networks and ISDN Systems, Vol. 26, No 5, pp. 511-524,1994.