Модель однонаправленного коммутатора для мультисервисного трафика с полимодальным распределением

А.Ю. Инсаров; Р.Р. Файзуллин; В.И. Ильин

doi:10.18127/j5604128-202404-07

Модель однонаправленного коммутатора для мультисервисного трафика с полимодальным распределением

А.Ю. Инсаров¹, Р.Р. Файзуллин², В.И. Ильин³

научная статья УДК 621.396.49 Страницы: 86-95 doi.org/10.18127/j5604128-202404-07

¹ ООО «Интис телеком» (г. Казань, Россия)
² Казанский национальный исследовательский технический университет
³ Казанский федеральный университет (г. Казань, Россия)

Ключевые слова: Полимодальное распределение мультисервисный трафик математическая модель FIFO QoS

Аннотация

Постановка проблемы. Современный этап развития телекоммуникационных сетей характеризуется активным совершенствованием алгоритмов маршрутизации в сетях с коммутацией пакетов с учётом обеспечения необходимого качества обслуживания. При этом для таких сетей свойственна передача больших объемов информации, что обусловлено необходимостью обеспечения нормального функционирования работы современных мультимедийных приложений, в частности, таких как IP-телефония, видео- и радиовещание, интерактивное дистанционное обучение, что определяет мультисервисный характер трафика, который является неоднородным, а его статистические свойства в большинстве случаев носят сложный полимодальный характер. C учётом того, что традиционные пуассоновские модели, обеспечивающие FIFO-обслуживание (англ. FIFO – first in, first out; русск. – первым пришёл, первым ушёл) сетевого трафика, для решения современных телекоммуникационных задач приводят к слишком оптимистичным результатам по задержкам, возникает необходимость разработки новой математической модели однонаправленного коммутатора, обеспечивающего FIFO-обслуживание мультисервисного трафика с полимодальным распределением с учётом обеспечения необходимого качества обслуживания абонентов и алгоритма оценки её основных параметров.

Цель. Разработать математическую модель однонаправленного коммутатора, реализующего FIFO-обслуживание мультисервисного трафика с полимодальным распределением, учитывающую требования к обеспечению необходимого качества обслуживания абонентов и алгоритма оценки её основных параметров.

Результаты. Разработана новая математическая модель однонаправленного коммутатора, реализующего FIFO-обслуживание мультисервисного трафика с полимодальным распределением, позволяющая оценить вероятности того, что поступающие пакеты на вход коммутатора не будут обработаны из-за переполнения его буферной памяти и превышения предельного времени обработки пакетов. Показано, что модель учитывает возникающие задержки, вносимые каналом и канальным оборудованием при распространении и обработке пакетов от источника до рассматриваемого коммутатора.

Практическая значимость. На основании разработанной математической модели даны рекомендации по моделированию обработки трафика для обеспечения заданной точности получаемых результатов.

Поступила: 25.07.2024
Одобрена: 07.08.2024
Принята: 26.08.2024

Для цитирования

Инсаров А.Ю., Файзуллин Р.Р., Ильин В.И. Модель однонаправленного коммутатора для мультисервисного трафика с полимодальным распределением // Электромагнитные волны и электронные системы. 2024. № 4. С. 86–95. DOI: https://doi.org/10.18127/j5604128-202404-07

Список источников

Олифер В.Г., Олифер Н.А. Новые технологии и оборудование IP-сетей. СПб.: БВХ-Петербург. 2012. 512 с.
Гугенидзе А.Т., Кореш В.И. Мультисервисные сети и услуги широкополосного доступа. СПб.: Наука и техника. 2003. 400 с.
Лернер И.М., Карелина Е.А., Григорьев С.Г., Байков Ф.Ю., Дымкова С.С., Ильин В.И. Модель отбора информационных ресурсов на базе теории поколений, наукометрии и факторной методики исследования личности как инструмент развития глобальных цифровых платформ // Научные и технические библиотеки. 2024. № 1. С. 15–50. DOI: 10.33186/1027-3689-2024-1-15-50.
Лернер И.М., Байков Ф.Ю., Карелина Е.А., Григорьев С.Г., Сычев А.С., Дымкова С.С. Построение типичных профилей обучаемых поколения Z для повышения качества образовательного процесса // Информатика и образование. 2023. Т. 38. № 6. С. 5–13. DOI: 10.32517/0234-0453-2023-38-6-5-13.
Спирина Е.А., Козлов С.В., Бухарина А.А. Разработка модели трафика в гетерогенных сетях связи на основе экспериментальных данных // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 1. С. 92−110. DOI 10.18127/j00338486-202401-09.
Файзуллин Р.Р., Яушев С.Т., Инсаров А.Ю. Моделирование непуассоновского трафика и оценка степени его самоподобия // Материалы XX Междунар. науч.-технич. конф. «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций. Оптические технологии в телекоммуникациях». Уфа: ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет». 2018. Т. 1. С. 223–225.
Файзуллин Р.Р., Яушев С.Т., Инсаров А.Ю. Моделирование и исследование степени самоподобия непуассоновского трафика, представленного нестандартными многомодальными распределениями Паскаля и Райса // Материалы XIII Междунар. отраслевой науч.-технич. конф. «Технологии информационного общества». М.: ООО «Издательский дом Медиа паблишер». 2019. Т. 1. С. 140–143.
Буранова М.А., Карташевский В.Г., Самойлов М.С. Анализ статистических характеристик мультимедийного трафика узла агрегации в мультисервисной сети // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2014. № 4. С. 63–69.
Leland W.E., Taqqu M.S., Willinger W., Wilson D.V. On the self-similar nature of Ethernet traffic (extended version) // IEEE/ACM Transactions on Networking. 1994. V. 2. № 1. P. 1–15. DOI 10.1109/90.282603.
Taqqu M., Willinger W., Sherman R. Proof of a fundamental result in self-similar traffic modeling // Computer Communication Review. 1997. V. 27. №. 2. P. 5–23. DOI:10.1145/263876.263879.
Шелухин О.И., Осин А.В., Смольский С.М. Самоподобие и фракталы. Телекоммуникационные приложения. М.: ФИЗМАТ-ЛИТ. 2008. 368 с.
Шелухин О.И., Тенякшев А.М., Осин А.В. Фрактальные процессы в телекоммуникациях. М.: Радиотехника. 2003. 480 с.
Одоевский С.М., Хоборова В.П. Методы прогнозирования качества обслуживания самоподобного трафика в устройствах коммутации мультисервисной сети // Труды учебных заведений связи. 2017. Т. 3. № 3. С. 86–92.
Назаров А.Н., Сычев К.И. Модели и методы расчета показателей качества функционирования узлового оборудования и структурно-сетевых параметров сетей связи следующего поколения. Красноярск: ООО «Поликом». 2010. 389 с.
Цыбаков Б.С. Модель телетрафика на основе самоподобного случайного процесса // Радиотехника. 1999. № 5. С. 24–31.
Петров В.В. Структура телетрафика и алгоритм обеспечения качества обслуживания при влиянии эффекта самоподобия: дис. … канд. техн. наук. М.: Московский Энергетический Институт (Технический университет). 2004. 199 с.
Ложковский A.Г. Модель мультисервисного трафика и метод расчета параметров QoS при его обслуживании // Радиотехника. 2009. № 157. С. 48–52.
Шелухин О.И., Осин А.В. Мультифрактальный анализ самоподобного WAN-трафика // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2007. Т. 3. № 1. С. 21–27.
Карташевский В.Г. Основы теории массового обслуживания: Учебник для вузов. М.: Горячая линия-Телеком. 2013. 126 с.
Карташевский В.Г., Буранова М.А. Влияние механизмов управления QoS на показатели качества обслуживания мультимедийного трафика сети Internet // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2013. Т. 7. № 8. С. 54–60.
Ложковский А.Г., Ганифаев Р.А. Влияние закона распределения длительности обслуживания в условиях самоподобного трафика на параметры QoS // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2008. Т. 4. № 3(34). С. 46–50.
Ложковский А.Г., Керимов Э.И. Расчет характеристик самоподобного трафика, аппроксимируемого распределением Вейбулла // Informasiya Texnologiyaları Problemləri. 2016. № 1. С. 27–32.
Кёниг Д., Штойян Д. Методы теории массового обслуживания. М.: Радио и связь. 1981. 127 c.
Бахарева Н.Ф., Карташевский И.В. Анализ временных характеристик непуассоновского трафика // Электросвязь. 2010. № 11. С. 26–28.
Бахарева Н.Ф., Тарасов В.Н. Обобщенная двумерная диффузионная модель массового обслуживания типа GI/G/1 // Телекоммуникации. 2009. № 7. С. 2–8.
Малофей Д.С., Фомин Л.А., Радионов В.В., Ряднов Д.С. Моделирование самоподобного трафика при построении сетей NGN // Известия ЮФУ. Технические науки. 2009. № 11(100). С. 176–186.
Башарин Г.П., Ефимушкин А.В., Шибаева Е.С. Анализ многозвеньевого маршрута оптической сети с маршрутизацией по длине волны и учетом буферного накопителя в устройстве передачи перед звеном // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012. Т. 6. № 7. С. 13–18.
Башарин Г.П., Шибаева Е.С. Математическая модель функционирования коммутатора оптической сети с учетом волоконно оптических линий задержки // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012. Т. 6. № 7. С. 23–26.
Башарин Г.П., Шибаева Е.С. Математическая модель функционирования коммутатора в полностью оптической сети с учётом задержек на FDL // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Математика, информатика, физика. 2013. № 1. С. 45–51.
Степанов С.Н., Степанов М.С. Планирование ресурса передачи при совместном обслуживании мультисервисного трафика реального времени и эластичного трафика данных // Автоматика и телемеханика. 2017. № 11. С. 79–93.
Степанов С.Н. Модель обслуживания трафика сервисов реального времени и данных с динамически изменяемой скоростью передачи // Автоматика и телемеханика. 2010. № 1. С. 18–33.
Степанов С.Н. Модель совместного обслуживания трафика сервисов реального времени и данных. I // Автоматика и телемеханика. 2011. № 4. С. 121–132.
Степанов С.Н. Модель совместного обслуживания трафика сервисов реального времени и данных. II // Автоматика и телемеханика. 2011. № 5. С. 139–147.
Лернер И.М., Ильин Г.И. Численный метод оценки потенциальной пропускной способности при использовании ФМН-я-сигнала в канале связи с межсимвольными искажениями // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2018. Т. 74. № 4. С. 138–149.
Лернер И.М., Ильин Г.И., Ильин А.Г. К вопросу о циклостационарности АФМн-N-сигналов, наблюдаемых на выходе канала связи с межсимвольными искажениями // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2018. Т. 74. № 3. С. 107–117.
Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В., Хайруллин А.Н. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Часть 3. Ретроспективный обзор методов оценки пропускной способности частотно-селективных каналов связи при наличии при наличии межсимвольных искажений и использовании ФМн-n и АФМн-N-сигнала // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 3. С. 24–33. DOI 10.18127/j20700784-202303-02.
Лернер И.М. Модели и методы повышения пропускной способности радиотехнических систем передачи информации в частотно-селективных каналах связи с межсимвольными искажениями: дис. ... д-р тех. наук. Казань. 2024. 665 с.

[1] Олифер В.Г., Олифер Н.А. Новые технологии и оборудование IP-сетей. СПб.: БВХ-Петербург. 2012. 512 с.

[2] Гугенидзе А.Т., Кореш В.И. Мультисервисные сети и услуги широкополосного доступа. СПб.: Наука и техника. 2003. 400 с.

[3] Лернер И.М., Карелина Е.А., Григорьев С.Г., Байков Ф.Ю., Дымкова С.С., Ильин В.И. Модель отбора информационных ресурсов на базе теории поколений, наукометрии и факторной методики исследования личности как инструмент развития глобальных цифровых платформ // Научные и технические библиотеки. 2024. № 1. С. 15–50. DOI: 10.33186/1027-3689-2024-1-15-50.

[4] Лернер И.М., Байков Ф.Ю., Карелина Е.А., Григорьев С.Г., Сычев А.С., Дымкова С.С. Построение типичных профилей обучаемых поколения Z для повышения качества образовательного процесса // Информатика и образование. 2023. Т. 38. № 6. С. 5–13. DOI: 10.32517/0234-0453-2023-38-6-5-13.

[5] Спирина Е.А., Козлов С.В., Бухарина А.А. Разработка модели трафика в гетерогенных сетях связи на основе экспериментальных данных // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 1. С. 92−110. DOI 10.18127/j00338486-202401-09.

[6] Файзуллин Р.Р., Яушев С.Т., Инсаров А.Ю. Моделирование непуассоновского трафика и оценка степени его самоподобия // Материалы XX Междунар. науч.-технич. конф. «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций. Оптические технологии в телекоммуникациях». Уфа: ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет». 2018. Т. 1. С. 223–225.

[7] Файзуллин Р.Р., Яушев С.Т., Инсаров А.Ю. Моделирование и исследование степени самоподобия непуассоновского трафика, представленного нестандартными многомодальными распределениями Паскаля и Райса // Материалы XIII Междунар. отраслевой науч.-технич. конф. «Технологии информационного общества». М.: ООО «Издательский дом Медиа паблишер». 2019. Т. 1. С. 140–143.

[8] Буранова М.А., Карташевский В.Г., Самойлов М.С. Анализ статистических характеристик мультимедийного трафика узла агрегации в мультисервисной сети // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2014. № 4. С. 63–69.

[9] Leland W.E., Taqqu M.S., Willinger W., Wilson D.V. On the self-similar nature of Ethernet traffic (extended version) // IEEE/ACM Transactions on Networking. 1994. V. 2. № 1. P. 1–15. DOI 10.1109/90.282603.

[10] Taqqu M., Willinger W., Sherman R. Proof of a fundamental result in self-similar traffic modeling // Computer Communication Review. 1997. V. 27. №. 2. P. 5–23. DOI:10.1145/263876.263879.

[11] Шелухин О.И., Осин А.В., Смольский С.М. Самоподобие и фракталы. Телекоммуникационные приложения. М.: ФИЗМАТ-ЛИТ. 2008. 368 с.

[12] Шелухин О.И., Тенякшев А.М., Осин А.В. Фрактальные процессы в телекоммуникациях. М.: Радиотехника. 2003. 480 с.

[13] Одоевский С.М., Хоборова В.П. Методы прогнозирования качества обслуживания самоподобного трафика в устройствах коммутации мультисервисной сети // Труды учебных заведений связи. 2017. Т. 3. № 3. С. 86–92.

[14] Назаров А.Н., Сычев К.И. Модели и методы расчета показателей качества функционирования узлового оборудования и структурно-сетевых параметров сетей связи следующего поколения. Красноярск: ООО «Поликом». 2010. 389 с.

[15] Цыбаков Б.С. Модель телетрафика на основе самоподобного случайного процесса // Радиотехника. 1999. № 5. С. 24–31.

[16] Петров В.В. Структура телетрафика и алгоритм обеспечения качества обслуживания при влиянии эффекта самоподобия: дис. … канд. техн. наук. М.: Московский Энергетический Институт (Технический университет). 2004. 199 с.

[17] Ложковский A.Г. Модель мультисервисного трафика и метод расчета параметров QoS при его обслуживании // Радиотехника. 2009. № 157. С. 48–52.

[18] Шелухин О.И., Осин А.В. Мультифрактальный анализ самоподобного WAN-трафика // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2007. Т. 3. № 1. С. 21–27.

[19] Карташевский В.Г. Основы теории массового обслуживания: Учебник для вузов. М.: Горячая линия-Телеком. 2013. 126 с.

[20] Карташевский В.Г., Буранова М.А. Влияние механизмов управления QoS на показатели качества обслуживания мультимедийного трафика сети Internet // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2013. Т. 7. № 8. С. 54–60.

[21] Ложковский А.Г., Ганифаев Р.А. Влияние закона распределения длительности обслуживания в условиях самоподобного трафика на параметры QoS // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2008. Т. 4. № 3(34). С. 46–50.

[22] Ложковский А.Г., Керимов Э.И. Расчет характеристик самоподобного трафика, аппроксимируемого распределением Вейбулла // Informasiya Texnologiyaları Problemləri. 2016. № 1. С. 27–32.

[23] Кёниг Д., Штойян Д. Методы теории массового обслуживания. М.: Радио и связь. 1981. 127 c.

[24] Бахарева Н.Ф., Карташевский И.В. Анализ временных характеристик непуассоновского трафика // Электросвязь. 2010. № 11. С. 26–28.

[25] Бахарева Н.Ф., Тарасов В.Н. Обобщенная двумерная диффузионная модель массового обслуживания типа GI/G/1 // Телекоммуникации. 2009. № 7. С. 2–8.

[26] Малофей Д.С., Фомин Л.А., Радионов В.В., Ряднов Д.С. Моделирование самоподобного трафика при построении сетей NGN // Известия ЮФУ. Технические науки. 2009. № 11(100). С. 176–186.

[27] Башарин Г.П., Ефимушкин А.В., Шибаева Е.С. Анализ многозвеньевого маршрута оптической сети с маршрутизацией по длине волны и учетом буферного накопителя в устройстве передачи перед звеном // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012. Т. 6. № 7. С. 13–18.

[28] Башарин Г.П., Шибаева Е.С. Математическая модель функционирования коммутатора оптической сети с учетом волоконно оптических линий задержки // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012. Т. 6. № 7. С. 23–26.

[29] Башарин Г.П., Шибаева Е.С. Математическая модель функционирования коммутатора в полностью оптической сети с учётом задержек на FDL // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Математика, информатика, физика. 2013. № 1. С. 45–51.

[30] Степанов С.Н., Степанов М.С. Планирование ресурса передачи при совместном обслуживании мультисервисного трафика реального времени и эластичного трафика данных // Автоматика и телемеханика. 2017. № 11. С. 79–93.

[31] Степанов С.Н. Модель обслуживания трафика сервисов реального времени и данных с динамически изменяемой скоростью передачи // Автоматика и телемеханика. 2010. № 1. С. 18–33.

[32] Степанов С.Н. Модель совместного обслуживания трафика сервисов реального времени и данных. I // Автоматика и телемеханика. 2011. № 4. С. 121–132.

[33] Степанов С.Н. Модель совместного обслуживания трафика сервисов реального времени и данных. II // Автоматика и телемеханика. 2011. № 5. С. 139–147.

[34] Лернер И.М., Ильин Г.И. Численный метод оценки потенциальной пропускной способности при использовании ФМН-я-сигнала в канале связи с межсимвольными искажениями // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2018. Т. 74. № 4. С. 138–149.

[35] Лернер И.М., Ильин Г.И., Ильин А.Г. К вопросу о циклостационарности АФМн-N-сигналов, наблюдаемых на выходе канала связи с межсимвольными искажениями // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2018. Т. 74. № 3. С. 107–117.

[36] Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В., Хайруллин А.Н. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Часть 3. Ретроспективный обзор методов оценки пропускной способности частотно-селективных каналов связи при наличии при наличии межсимвольных искажений и использовании ФМн-n и АФМн-N-сигнала // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 3. С. 24–33. DOI 10.18127/j20700784-202303-02.

[37] Лернер И.М. Модели и методы повышения пропускной способности радиотехнических систем передачи информации в частотно-селективных каналах связи с межсимвольными искажениями: дис. ... д-р тех. наук. Казань. 2024. 665 с.

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи