Управление потоками и нагрузкой в сетях связи

Занятие № 10. “ Управление потоками и нагрузкой в сетях связи ”

1. План распределения нагрузки

Достижение основной цели функционирования вторичной сети связи – обеспечение обмена информацией различного вида (речь, данные и др.) при выполнении заданных требований к качеству обслуживания – осуществляется при постоянно меняющихся условиях функционирования сети. Поэтому во вторичной сети (передачи данных, телефонной, документальной связи и др.) необходимо реализовать решение следующих задач управления: структурой сети, объемом потоков нагрузки и распределением внутренних потоков на сети.

Управление структурой сети направлено на поддержание такой структуры сети, которая обеспечивает доступ заданному множеству абонентов к ресурсам сети с определенной пропускной способностью каналов и производительностью центров коммутации.

Управление объемом потоков должно согласовать исходящую нагрузку как от абонентских устройств, так и от коммутационных центров с величиной пропускной способности каналов ветвей сети для исключения их блокировки при перегрузках.

Управление распределением потоков внутри сети обеспечивает оптимизацию маршрутов передачи сообщений и распределение нагрузки между каналами вторичных сетей и комплексами коммутации. При этом очередность передачи сообщений определяется приоритетами (абсолютными и относительными). Данные задачи реализуются различными алгоритмами маршрутизации на сети.

Рассмотренные задачи управления должны решаться как на этапе синтеза вторичной сети в процессе планирования, так и на этапе ее функционирования с целью обеспечения заданной эффективности. Для решения этих задач в процессе функционирования в составе системы управления сетью связи имеется подсистема управления потоками, которая распределяет внутренние потоки информации в соответствии с планом распределения нагрузки (ПРН), а также обеспечивает ограничение внешней поступающей нагрузки и управление структурой сети.

План распределения нагрузки (ПРН) – это заданная совокупность путей (маршрутов) установления соединений между каждой парой пользователей сети и очередность их выбора, или заданная очередность выбора исходящих направлений из каждого узла коммутации сети ко всем остальным узлам. ПРН часто называют планом распределения информации или планом распределения потоков информации.

План распределения, как правило, строится оптимальным по тому или иному критерию. В качестве критерия оптимальности плана могут быть выбраны различные параметры: минимальная длина устанавливаемых соединений (по числу транзитных узлов), максимальная вероятность доведения информации, минимальное время доведения сообщения, максимальное качество тракта передачи и др. Выбор конкретного показателя оптимальности зависит от возможности измерения этого показателя, степени влияния этого показателя на характеристики сети, сложности технической реализации процесса корректировки плана.

Все методы формирования ПРН можно классифицировать по различным признакам. По признаку возможности коррекции плана методы формирования ПРН делятся на статические и динамические, а системы управления сетью соответственно называются статическими или динамическими.

Статическими называют системы управления, которые не учитывают текущую ситуацию на сети при выборе пути установления соединения, а ПРН не меняется в процессе функционирования сети.

Исходными данными на этапе планирования сети являются сведения о пользователях (абонентах) сети, характере их группировки и перемещений, типах направлений связи и ожидаемой в них нагрузке, требования по своевременности связи для различных категорий абонентов, данные о наличии сил и средств связи. В результате синтезируется структура и топология сети, определяются мощности ее ветвей, формируется план распределения нагрузки ПРН, а затем эти данные в виде команд доводятся до исполнителей, осуществляющих строительство или развертывание сети.

В процессе функционировании сети план распределения нагрузок не изменяется даже в условиях изменяющихся тяготений между узлами сети и повреждения отдельных элементов сети (ветвей, коммутационных узлов).

План распределения нагрузки для статических систем управления задается матрицами маршрутов (или таблицами маршрутов), которые разрабатываются для каждого транзитного коммутационного центра сети.

Для любого -го коммутационного центра матрица маршрутов (таблица маршрутов ) содержит число строк, равное числу адресатов сети (центров коммутации, с которыми предусматривается обмен), и число столбцов, равное числу исходящих из данного центра направлений передачи. Элементы матрицы (таблицы) определяют порядок выбора маршрутов (исходящих направлений из данного центра).

В том случае, когда для каждого коммутационного центра сети заданы состав исходящих направлений (ветвей) и порядок их выбора при установлении связи к любому из других центров сети (то есть когда для каждого центра сети задана своя матрица маршрутов), говорят, что для сети задан план распределения нагрузки ПРН.

В зависимости от способа представления элементов матрицы (таблицы) различают детерминированные, стохастические или смешанные методы формирования матрицы (таблицы) маршрутов.

В статических детерминированных таблицах маршрутов их элементы указывают порядок выбора исходящего направления. Если путь из данного центра в смежный центр является путем первого выбора, то соответствующий элемент матрицы (таблицы) равен 1, если путем второго выбора – то 2 и т.д.

Например, для сети, структура которой приведена на рис.1, а), статическая детерминированная таблица маршрутов, хранящаяся в первом центре коммутации, имеет вид, показанный на рис.1, б.

Рис.1. Статическая детерминированная таблица маршрутов для

Из таблицы следует, что сообщения, адресованные центру коммутации , в первую очередь будут направляться по исходящему направлению к центру (путь первого выбора). Например, для сети, структура которой приведена на рис.1, а), статическая детерминированная таблица маршрутов, хранящаяся в первом центре коммутации, имеет вид (рис.1, б). Из таблицы следует, что сообщения, адресованные центру коммутации , в первую очередь будут направляться по исходящему направлению к центру (путь первого выбора). Путь второго выбора – это исходящее направление к центру , а путь третьего выбора – исходящее направление к центру . Маршрутизация в этом случае фиксированная для каждого адресата, что позволяет при небольшой нагрузке доставлять сообщения с минимальной задержкой.

Однако при увеличении нагрузки оптимальность ранжировки маршрутов нарушается из-за перегруженности путей первого и второго выборов. Этот недостаток частично устраняется при использовании стохастических таблиц маршрутов.

В стохастических таблицах маршрутов элементы каждой строки задают не порядок выбора исходящего направления, а вероятность его выбора, причем сумма всех вероятностей выбора направлений к каждому центру коммутации должна быть равна единице. При этом обеспечивается более равномерное распределение исходящих потоков из каждого центра коммутации. Смешанные маршрутные таблицы имеют как детерминированные, так и стохастические строки.

Однако все эти таблицы маршрутов обеспечивают фиксированную маршрутизацию и не учитывают текущие изменения состояния сети. По этой причине алгоритмы фиксированной статической маршрутизации в чистом виде используются редко.

Динамическими (или адаптивными) называют системы управления, которые обеспечивают адаптацию ПРН к изменяющимся на сети условиям (локальным перегрузкам на отдельных направлениях, повреждениям каналов и пучков каналов, выходу из строя отдельных центров коммутации и др.). Поэтому динамическое управление потоками позволяет наиболее эффективно использовать канальный ресурс сети и тем самым минимизировать потери вызовов на сетях с коммутацией каналов и задержку при передаче пакетов на сетях с коммутацией пакетов.

В том случае, когда в процессе функционирования сети происходит коррекция плана распределения, говорят, что на сети осуществляется динамическое управление потоками информации.

Работа динамических систем управления сетью осуществляется по принципу ”контроль – воздействие – контроль”. При этом постоянно уточняются значения параметров реальной сети, сравниваются с нормированными значениями и принимаются решения на коррекцию структуры и топологии сети, а также плана распределения нагрузок ПРН.

2. Методы динамического управления потоками и нагрузкой

Динамическое управление потоками информации на сети осуществляется, в целом, двумя основными способами (рис.2):

·  управление объемом потоков (или управление внешними потоками);

·  управление распределением потоков внутри сети (управление внутренними потоками).

Рис.2. Методы динамического управления потоками на сети