Юсеф Касем, Червинский В.В.

Донецкий национальный технический университет, Украина

Исследование эффективности сети NGN путем имитационного моделирования в среде моделирования OpNet

В работе [1] авторами проведена разработка телекоммуникационной сети NGN для условий г. Макеевка (Украина), которая нуждается в исследовании эффективности ее внедрение в реальных условиях. Аналитически получить данные относительно работоспособности и эффективности структуры разработанной сети NGN довольно сложно из-за большого количества переменных, описывающих ее работу. Решить данную задачу возможно путем имитационного моделирования работы мультисервисной телекоммуникационной сети. Такой способ исследования позволяет получить результаты близкие к реальным условиям, и, в отличие от реального эксперимента имитационное моделирование, не нуждается в наличии реального объекта, который состоит из большого количества дорогостояще оборудования и линий связи.

Целью имитационного моделирования в данном исследовании является получения количественной оценки эффективности разработанной сети и функционирования технологии MPLS для приоритезации трафика. Кроме того, путем имитационного моделирования можно исследовать, как изменяются показатели качества определенных услуг при разном количестве абонентов, которые ими пользуются, и в зависимости от настроек механизмов обеспечения качества обслуживания.

Анализ современных программных средств моделирования телекоммуникационных сетей показал, что наиболее полную и исчерпывающую оценку эффективности внедрения разработанной сети и исследование особенностей ее использования на примере трафика мультимедийних услуг Tiple Play для сегмента сети NGN даст использование высокоуровневого моделирования в пакете OpNet IT Guru Academic Edition.

Для исследования качественных характеристик сети в пакете OpNet собрана модель мультисервисной сети, которая отвечает структуре, представленной на рис. 1.

Риснунок 1 – Базовая модель сети в терминах OpNet

Модель состоит из активного оборудования оператора связи - коммутаторов, маршрутизаторов; серверов услуг; сегментов сетей доступа, которые пользуются определенным типом услуг; линий связи, которые соединяют активное оборудование.

Для упрощения получения исходных данных относительно основных характеристик потоков трафика каждой из услуг, опорная IP-сеть представлена двумя маршрутизаторами, которые соединяют серверы поставщиков с конечными пользователями. Также, для упрощения получения данных по каждой из услуг, сети общего пользования реализованы в модели как серверы определенных услуг. Т.е. телефонная сеть общего пользования реализована как сервер голосовых услуг, а сеть Интернет - совокупность серверов FTP, HTTP и других.

Маршрутизаторы в модели имитируют предельные маршрутизаторы реальной опорной сети, а канал, который соединяет их, имитирует общий путь прохождения потоков трафика через опорную IP-сеть.

После того, как задана топология сети, необходимо задать трафик. Трафик в сети формируется прикладными программами типа клиент-сервер, потому для задания такого трафика необходимо определить, с одной стороны, параметры работы соответствующего сервера (HTTP, FTP и др.), а с другой – количество рабочих станций, передающих запросы к этим серверам

Следующим шагом является настройка абонентских групп, маршрутизаторов и серверов. Для корректной реализации поддержки верности передачи информации на основе параметров QoS в настройках каждого модуля задается порт, для которого будут реализованы данные настройки.

После того, как серверам назначены прикладные программы, производится конфигурирование профайлов. Профайл – это набор программ, которые будут исполняться на конкретной рабочей станции.

После того, как созданы профайлы и назначены прикладные программы серверам, можно приступать к конфигурированию рабочих станций. Основные действия при этом – назначение рабочей станции профайла, определяющего набор приложений, и назначение ей получателей информации.

Трафик, который поступает, например, в зону Internet, формируется в сети доступа. На рис. 2 показан трафик группы пользователей HTTP_clients. Как видно, среднее значения пропускной способности канала связи – 1 Мбит/с (так как при моделировании выбрано небольшое количество пользователей по сравнению с реальным), а максимальное – 2 Мбит/с. Задержка доставки пакетов немногим превышает 0.001 с – это значит, что пропускная способность канала полностью обеспечивает параметры QoS. В данном случае следует отметить, что загрузка каналов минимальна.

Для каждой подсети записываются следующие показатели статистики: коэффициент утилизации, пропускная способность в пакетах в секунду, пропускная способность в битах в секунду, и время задержки доставки информации. Также для всех участков сети были проанализированы параметры QoS.

После завершения построения модели и всех было проведено моделирование работы сети на протяжении одного часа. Были получены следующие характеристики QoS сети на участке маршрутизатор доступа – маршрутизатор ядра (рис. 3 - 5).

Рисунок 2 – Анализ трафика на линии связи группой пользователей и уровнем доступа

Рисунок 3 – Задержки услуги Интернет

Рисунок 4 – Задержки услуги VoD

Рисунок 3 – Задержки услуги VoIP

Учитывая то, что нормальное функционирование некоторых сетевых служб, например VoIP, VoD и других служб реального времени зависит от размера задержки передачи по каналам связи, то задача расчета и оценки этих задержек является основной при оценке эффективности разработанной сети.

Расчет задержек учитывает природу их возникновения, параметры сетевого оборудования, которое используется и длину линии передачи.

Видим, что при отсутствии перегрузок в сети задержка передачи голоса меньше 150 мс в большинстве реализаций рассматривается как приемлемая. Но при этом, для некоторых услуг существуют неприемлимые задержки от 200 до 450 мс. При высокой нагруженности сети уровень этих задержек резко возрастет. Поэтому необходимо оптимизировать сеть с использованием технологии поддержки QoS. В разработанной сети была выбрана технология MPLS.

Применение технологии ІP/MPLS позволяет решить проблемы, связанные с коммутацией пакетов и обеспечением параметров QoS в транспортной сети. И, вдобавок, ІP/MPLS поддерживает механизм маршрутизации на основе резервирования ресурсов RRR (Routіng by Resource Reservatіon), который позволяет управлять потоками трафика во время его передачи по каналам. Эти возможности ІP/MPLS особенно востребованы в моменты высокой загруженности сети, что особенно актуально для сети NGN, где предоставляются широкополосные услуги Triple Play.

Модель сети с использованием технологии IP/MPLS на транспортном уровне в пакете OpNet приведена на рис. 5.

Рисунок 5 – Модель сети с использованием MPLS в OpNet

Как показано на рис. 5, в основу топологии сети положено кольцо маршрутизаторов, два из которых являются предельными. К предельным маршрутизаторам через коммутаторы подключенные источники трафика.

При моделировании также были сделаны определенные допущения. Объем трафика, который передается по каналам сети, не превышает 60% их пропускной способности. Это допущение сделано с целью приближения модели к реальным сетям, в которых максимальная утилизация каналов связи не превышает 60-70% с целью предотвращения перегрузок из-за всплесков трафика.

В первом случае в модели использовались обычные IP-маршрутизаторы, которые не поддерживают технологию MPLS согласно схеме. Маршрутизация пакетов осуществлялась с помощью протокола OSPF.

Во втором сценарии использовались маршрутизаторы с поддержкой технологии MPLS. Кроме того была реализована поддержка Traffic Engineering. Добиться этого удалось благодаря использованию сигнального протокола CR-LDP, настройка которого проводилось путем задачи FECs в окне атрибутов MPLS, а также с помощью настройки в роутерах параметров LDP. В результате этих действий основной маршрут передачи пакетов было определено через маршрутизаторы router_clients-R1_MPLS_router. При возникновении в сети перегрузки трафик распределялся по CR-LSP маршрутам, чтобы нагрузка на сеть, распределялось равномерно. Это разрешает эффективнее использовать ресурсы сети.

Для каждого сценария время моделирования было задано равным 420 секундам. Согласно настройкам, трафик VoIP генерировался в сети начиная из сотой секунды и до конца времени моделирования. Каждые две секунды в сеть поступал новый вызов.

На рис. 6 приведено среднее количество пакетов отправленных и полученных в каждом сценарии. Как видно из рис. 6, потери пакетов голосового трафика в IP сети начались с 240 секунды, тогда как в MPLS сети - с 300. Учитывая весь отрезок времени моделирования, наблюдаем, что по MPLS сети передано большее количество пакетов, чем по IP, т.е. пропускная способность каналов выше.

Проведем исследование для VoIP трафика, как наиболее чувствительного к параметрам QoS сети. На рис. 7 показан джиттер пакетов в каждой сети. В MPLS его уровень ниже и начинает проявляться это явление позднее. Начало проявления джиттера в обоих сценариях совпадает за временем с началом потери пакетов. Можно выдвинуть предположение, что ухудшение качества обслуживание связано с ростом уровня трафика, генерированного приложениями FTP и VoD.

Рисунок 7 - Джиттер пакетов VoIP

Рисунок 6 - Количество отправленных и принятых пакетов

На рис. 8 приведены результаты моделирования, которые касаются сквозной задержки в исследуемых сетях. И по этому показателю качества в сети MPLS результаты лучше, но не идеальные.

Анализируя полученные результаты задержки, обратимся к рекомендации ITU-T G.114, в которой говорится, что для ведения комфортного разговора односторонняя задержка не должна превышать 150 мс (имеется в виду задержка канала и алгоритмическая задержка кодека). Как видно из рис. 8, это требование выполнялось до 240 секунды в сети IP и до 300 секунды в сети MPLS. Следует отметить, что эти показатели в сети могут быть улучшены за счет применения более скоростного кодека.

Подводя итог проведенному моделированию, можно сделать вывод, что использование в сети технологии MPLS положительно влияет на ее производительность: пропускная способность каналов выше, джиттер и задержка ниже. Кроме того, технология MPLS позволяет применять гибкие алгоритмы управления трафиком в сети (Traffic Engineering), которые позволяют более равномерно распределять нагрузку и эффективнее использовать ресурсы сети.

Литература:

1. Червинский В.В., Юсеф Касим. Исследование и разработка телекоммуникационной сети NGN для уловий г. Макеевка (Украина) / Materialy VII Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji “Aktualne problemy nowoczesnych nauk - 2011”. Volume 26. Nowoczesne informacyjne technologie.: Przemysl. Nauka I studia – 96 str., С. 7-10.

2. А. Б. Гольдштейн, Б. С. Гольдштейн. SOFTSWITCH. Спб: БХВ – Санкт-Петербург. 2006.

3. Телекоммуникационные системы и сети: учебное пособие. В 3-х томах. Том 3. – Мультисервисные сети. под ред. В. П. Шувалова. Москва: Горячая линия – Телком, 2005.

4. К.Е. Телегин, Принцип выбора оборудования для построения сетей доступа. Технология и средства связи 2007 №3.

5. Сети нового поколения. Обзор проектов 2007. Технология и средства связи 2008 №1.