Modelowanie wielousługowych pól komutacyjnych z łączami

Michał Dominik Stasiak
Politechnika Poznańska, Wydział Elektroniki i Telekomunikacji, Katedra
Sieci Telekomunikacyjnych i Komputerowych
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Modelowanie wielousługowych pól komutacyjnych z łączami
przelewowymi
Tematem rozprawy doktorskiej jest opracowanie nowych metod analitycznych oceny
charakterystyk jakościowych i ilościowych wielousługowych węzłów sieciowych z łączami
przelewowymi. Wprowadzanie łączy przelewowych do struktur współczesnych pół
komutacyjnych (będących podstawowym elementem węzłów w sieciach przewodowych jak i
bezprzewodowych) pozwoli na znaczne zwiększenie jakości obsługiwanych w sieci połączeń.
Pola komutacyjne są jednymi z najistotniejszych urządzeń sieciowych, które wpływają na
rozwój i efektywne działania sieci. Od sprawnego działania pól komutacyjnych zależą
parametry jakościowe GoS (ang. Grade of Service) i QoS (Quality of Service) dla
oferowanych w sieci usług. Te parametry we współczesnych sieciach odgrywają kluczową
rolę ze względu na rosnące zapotrzebowanie na usługi czasu rzeczywistego, w których
informacja powinna być przesyłana z dużą szybkością bitową i zadowalającą jakością w
czasie rzeczywistym. Do takich usług można zaliczyć np. telefonię internetową VoIP (ang.
Voice over Internet Protocol), wideokonferencje i telewizję internetową. W usługach czasu
rzeczywistego już minimalne opóźnienie przesyłanych danych może być zauważalne dla
użytkownika końcowego. Sprawne i efektywne działanie urządzeń przełączających pozwala
na zwiększenia przepustowości sieci, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia liczby
obsługiwanych abonentów i zmniejszenia opóźnienia dla usług czasu rzeczywistego.
Pola komutacyjne możemy podzielić na pola blokowalne i nieblokowalne. Pola
nieblokowalne ograniczają blokadę pola do minimum (blokada wewnętrzna jest równa zeru),
natomiast ze względu na wymaganą liczbę komutatorów są nieopłacalne w implementacji.
Dlatego w zastosowaniach praktycznych w większości przypadków stosowane są pola
blokowalne. Celem pracy jest określenie stopnia zmniejszenia blokady wewnętrznej pola
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
komutacyjnego po wprowadzeniu łączy przelewowych. Dla realizacji tego celu zostaną
opracowane odpowiednie modele analityczne, których podstawą jest tak zwana metoda
efektywnej dostępności. Wprowadzenie do pola komutacyjnego łączy przelewowych
powoduje zwiększenie wartości parametru efektywnej dostępności i w konsekwencji
prowadzi do zmniejszenia prawdopodobieństwa blokady. W rozprawie doktorskiej do
oszacowania
prawdopodobieństwa
blokady
w
polach
z
łączami
przelewowymi
zaproponowano modyfikację znanych metod obliczeń pól komutacyjnych bez łączy
przelewowych, takich jak PPGMT (Point-to-Point Blocking witch Multi-rate Traffic), PGBMT
(Point-to-Group Blocking witch Multi-rate Traffic), PPD (Point-to-Point blocking - Direct
method) oraz metody rekurencyjnej (Recurrent Method). W rozprawie będą rozważane różne
warianty struktur systemu łączy przelewowych, a także różne warianty kierowania ruchu na
łącza przelewowe, np. dla wszystkich lub wybranych klas oferowanego ruchu (takie
rozwiązanie jest szczególnie przydatne w przypadku usług czasu rzeczywistego). W celu
weryfikacji
proponowanych
metod
analitycznych
skonstruowano
specjalny
program
symulacyjny w środowisku C++, który umożliwi porównanie rezultatów obliczeń analitycznych
z wynikami eksperymentów symulacyjnych dla zadanych struktur pól komutacyjnych z
łączami przelewowymi w warunkach zbliżonych do rzeczywistych.
Uzyskane w trakcie trzech lat rezultaty są bardzo obiecujące i wskazują na możliwość
znacznego zwiększenia parametrów jakości obsługi węzłów sieciowych stosunkowo
niewielkim nakładem środków. Wprowadzenie systemu łączy przelewowych prowadzi do
zastosowania, jedynie w pierwszej sekcji pola komutacyjnego, komutatorów o zwiększonej o
jeden liczbie wejść i wyjść. Takie rozwiązanie może być zastosowane zarówno w polach
zbudowanych technologiach elektronicznych, jak i w polach zbudowanych w technologiach
optycznych. Znane są także alternatywne metody obniżania blokady wewnętrznej w polach
komutacyjnych, np. zastosowanie specjalnych algorytmów sterowania ruchem w polu
komutacyjnym (przepakowania, przestrojenia). Podstawową wadą tych metod jest duża
złożoność obliczeniowa, która prowadzi do nadmiernego obciążenia urządzeń sterujących i
w konsekwencji do znacznego opóźnienia przesyłanej w sieci informacji. Inną metodą
zmniejszania prawdopodobieństwa blokady wewnętrznej jest np. zwiększanie liczby
komutatorów sekcji środkowej pola. Takie rozwiązanie powoduje jednak drastyczne
zwiększenie kosztów, które wynikają z zastosowania zwiększonej liczby układów.
Zastosowania łączy przelewowych, w porównaniu do innych sposobów zmniejszenia
prawdopodobieństwa blokady wewnętrznej, jest zdecydowanie najtańszym i najprostszym w
implementacji rozwiązaniem, pozwalającym znacznie zwiększyć wydajność pola przy
minimalnej ingerencji w jego strukturę. Ponadto, takie rozwiązanie prowadzi do pomijalnego
(z inżynierskiego punktu widzenia) zwiększenia obciążenia urządzeń sterujących.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
W wymiarze praktycznym rezultatem badań będą propozycje nowych struktur pól
komutacyjnych, optymalnych dla zadanej mieszaniny ruchu wielousługowego, oferowanego
w rzeczywistych sieciach teleinformatycznych: lokalnych, dostępowych oraz szkieletowych.
Zaproponowane struktury mogą być, przy niewielkich nakładach, implementowane w formie
układów elektronicznych lub optycznych. Biorąc pod uwagę możliwość zwiększenia
wydajności sieci teleinformatycznych - wykorzystywanych w praktycznie wszystkich
dziedzinach gospodarki (bankowość, biura maklerskie, sklepy internetowe, zdalne
sterowanie urządzeniami itd.) - proponowanymi rozwiązaniami mogą być zainteresowani
zarówno producenci sprzętu sieciowego, jak i operatorzy sieci teleinformatycznych w tym
również tych, którzy działają na terenie naszego województwa.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego