Модели и алгоритмы анализа и исследования программно-конфигурируемых оптических сетей

Во введении обоснована актуальность работы, определены её цель,
задачи, объект и предмет, рассмотрена степень разработанности темы,
сформулированы положения, выносимые на защиту, их научная новизна,
теоритическая и практическая ценности. Приведены основания для
использования и внедрения результатов работы, её апробация и структура.
В первой главе проведены исследования и анализ состояния, перспектив
и тенденций развития программно-конфигурируемых оптических сетей.
Рассмотрены предпосылки к созданию технологии ПКОС, выявлено, что
существующие сети связи не позволяют в полной мере использовать все свои
ресурсы для реализации современных сервисов, требующих динамического
предоставления необходимой скорости передачи данных и изменения
конфигурации сети. Также возникают проблемы с управлением такими сетями
при предоставлении сервисов, требующих реализации в режиме реального
времени. Показано, что решение обозначенных выше проблем может быть
достигнуто при помощи технологии ПКС. Рассмотрены концепции технологии
ПКС. Описаны модель технологии ПКС и варианты ее реализации.
Установлено, что применение принципов ПКС повышает эффективность
управления оптическими сетями посредством реализации ПКОС. Рассмотрены
ключевые особенности технологий DWDM, OTN, IP/MPLS и ПКС (SDN) с
точки зрения реализации современных сервисов (таблица 1).
Таблица 1 – Ключевые особенности технологий, реализующих ПКОС
Применяемые технические
ТехнологияНазначение
решения
 ПКС-контроллер с СОС и
 централизация управления сетью
сетевыми приложениями
 разделение уровней управления и
 виртуализация физических
передачи данных
ресурсов сети
 применение унифицированного
ПКС PCEP или OpenFlow для
интерфейса между уровнями
(SDN)взаимодействия контроллера
управления и передачи данных
и СЭ в режиме реального
 автоматизация предоставления
времени
сервисов клиентам
 OSPFдляповышения
 реализация сервисов ПКОС
эффективности работы сети
 маршрутизация и коммутация
 маркировка трафика метками
сервисных потоков (L2/L3)
 LDP, RSVP
 уменьшение нагрузки на СЭ
 туннелированние
IP/MPLS управлениепропускной
способностью VPN
 организация гибких сервисов
 обеспечение SLA
VPLS (L2) и VPRN (L3)
 реализация сервисов ПКОС
 заголовки соответствующих
 выбор типа транспондерадляблоков для сигнализации
конкретной оптической несущей  транспортныеструктуры
 размещение пакетного трафика в(блоки ODU и OTU) с
своих кадрахширокимдиапазоном
OTN обеспечениегарантированнойскоростей передачи данных
передачи данных многофункциональная
 гибкое использование полосысигнализация, мониторинг
пропускания проверочные коды FEC
 реализация сервисов ПКОС отдельный контролирующий
оптический канал (OSC)
 когерентные методы приема
 определение числа оптических
и передачи информации
несущих в рабочих диапазонах
 поляризационное
 выбор шага между оптическими
мультиплексирование
несущими
 применение многоуровневых
 выбор форматов модуляции
DWDMформатов модуляции
 предоставлениеоптических
 плотная сетка частот
каналов уровню OTN
 технология Flexible Grid
 корректная передача оптического
 технология суперканалов
сигнала без искажений и ошибок
 ROADM с «бесцветными» и
 реализация сервисов ПКОС
ненаправленными портами
Таким образом, в результате проведенного анализа выявлено, что в
совокупности технологии DWDM, OTN, IP/MPLS и ПКС (SDN) предлагают
решения для реализации ПКОС, которые позволяют обеспечить сетевую
транспортную инфраструктуру для организации предоставления современных
сервисов клиентам.
Проанализированы основные подходы к построению ПКОС. Изучен
отечественный и зарубежный опыт реализации ПКОС и распределенного
контура управления, что позволило выделить общие принципы организации
архитектур и сервисов ПКОС, которые были использованы в диссертационной
работе при построении математических моделей ПКОС. Показано, что
владельцам транспортных сетей технология ПКОС дает ряд преимуществ:
возможность быстрого внедрения новых сервисов, сокращение расходов и
упрощение процессов эксплуатации и техобслуживания. Описан механизм
предоставления гарантированной скорости передачи данных клиенту.
Выявлены ключевые особенности реализации этого сервиса, что в дальнейшем
позволило формализовать его математическое описание. Исследован
существующийметодформированиясуперканала,обеспечивающий
реализацию сервиса гарантированной скорости передачи данных клиенту.
Показано, что для некоторых комбинаций запрашиваемых скоростей этот метод
имеет низкую спектральную эффективность, а использование большого числа
поднесущих в суперканале скорее всего сделает сервис недоступным. Все это
создает необходимость разработки нового метода формирования суперканала.
Проведен сравнительный анализ транспондеров от ведущих
телекоммуникационных компаний (Nokia (fAlcatel-Lucent), Cisco, Huawei,
Juniper Networks и отечественного производителя T8), который позволил
получить набор основных параметров (скорости передачи, применяемые
форматы модуляции, сетки частот), используемых при организации канала
связи для клиента. При этом учтены ограничения при реализации (по полосе
пропускания, дальности передачи для используемых видов модуляции и числа
поднесущих), а также приведены диапазоны возможных значений с учетом
существующих технических возможностей и перспективных решений.
Полученные результаты и набор исходных данных были применены в
последующих главах для разработки математических моделей ПКОС и оценки
возможности предоставления гарантированной скорости передачи данных
клиенту.
Таким образом, проведенные в главе обзор и анализ состояния,
перспектив и тенденций развития программно-конфигурируемых оптических
сетей позволили сделать выводы о необходимости обобщения известных
результатов и проведения исследований по созданию методов повышения
эффективности таких сетей. Результаты проведенного анализа позволили
сформулировать цели и направления исследований, основные задачи,
решаемые в диссертации и осуществить постановку задачи диссертационного
исследования.
Во второй главе сформулированы и решены задачи анализа структуры
программно-конфигурируемой оптической сети. Для этого предложена
концепция проведения анализа, решены задачи формального описания
структуры ПКОС и вычисления ее характеристик: нагрузки на каналы связи,
узлы и структурообразующее оборудование сети.
Основной целью анализа структуры является определение параметров
потоков данных, проходящих по каналам связи сети и поступающих на узлы
ПКОС. Однако, задание структуры ПКОС только как совокупности узлов и
связей между ними, не позволяет исследовать потоки данных, поскольку
потоки данных формируются предоставляемыми в сети сервисами, точнее
приложениями, которые запускаются на контроллере и узлах ПКОС.
Приложения на контроллере указывают узлам сети необходимые параметры
для работы. Все приложения в ПКОС обмениваются между собой данными.
Следовательно, для анализа сети необходимо сведения о структуре дополнить
информацией о приложениях и их размещении в ПКОС. Результатами анализа
должны стать математические зависимости, позволяющие вычислять
численные значения характеристик сети с учетом особенностей конкретной
структуры программно-конфигурируемой оптической сети. Предложен подход
к анализу структуры программно-конфигурируемой оптической сети,
основанный на исследовании взаимодействия приложений (сервисов) как
независимых источников и приемников данных. В этом случае сначала
определяются параметры потоков данных между приложениями при
предоставлении всего комплекса сервисов (строится информационная модель),
а затем, в зависимости от размещения приложений по узлам ПКОС и
используемого оборудования, определяются параметры потоков данных между
узлами сети (строится техническая модель). При этом не только полностью
учитываются все взаимодействия между приложениями, но и появляется
возможность проведения анализа сложных иерархических сетевых структур,
путем декомпозиции на подсети и домены, что часто применяется в
технологиях MAN (Metro Ethernet) и OVPN.
Данный подход развивается и применяется в диссертационной работе.
Отметим, что полученные результаты анализа потоков данных, можно в
дальнейшем использовать для проведения более глубоких исследований с
применением известных методов и моделей, например, СеМО.
Для анализа структуры и расчета характеристик программно-
конфигурируемой оптической сети определены правила ее формального
описания, однозначно задающие свойства приложений и структуру сети,
позволяющие строить модели для проведения расчетов.
В соответствии с предложенным подходом к проведению анализа
структуры программно-конфигурируемой оптической сети выделены две
составляющих ее структуры информационная и техническая. Информационная
структура определяет информационные потоки между информационными
узлами (контроллер, ЦОД-ы и сетевое оборудование) и представляет
совокупность узлов и информационных ресурсов, размещенных на этих узлах.
Имея данные об информационной структуре сети, можно принимать решения
об организации каналов связи между узлами ПКОС, определять необходимые
параметры телекоммуникационной системы, формировать структуру ПКОС.
Техническая структура – совокупность структурообразующего оборудования,
технических узлов сети и каналов связи. Техническому узлу могут
соответствовать несколько информационных.
Таким образом, для полноценного анализа структуры реальной
программно-конфигурируемой оптической сети необходимо провести анализ
составляющих ее информационной и технической структур и связать
результаты анализа. Связывание результатов анализа информационной и
техническойструктурподразумеваетотображениехарактеристик
информационной структуры в характеристики технической структуры и
определение параметров технической структуры на основе параметров и
характеристик информационной структуры.
Информационная структура программно-конфигурируемой оптической
сети задается набором параметров:
ISDON  {UN , NN , AN , SN , DCN , SCi  appi , dci , usi , CAi i  1,2,, SN ,
, где:
APPxy  vappxy , dappxy x  1,2, SN ; y  1,2,, AN , NAM ,UM , DCM }
 UN – число работающих активных пользователей (клиентов), NN – число
задействованных узлов, AN – число используемых, функционирующих
приложений, SN – число предоставляемых сервисов, DCN – число баз данных,
размещаемых в ЦОД;
SCx  appx , dcx , us x , CAx , x  1,2,, SN  – набор данных, описывающих
предоставляемые сервисы, где appx  appx1 , appx 2 ,, appxAN  – вектор-строка,
определяющая запускаемые сервисом x приложения; dcx  dcx1 , dcx 2 ,, dcxDCN  –
вектор-строка, определяющая используемые сервисом x базы данных
(хранилища данных); us x  us x1 , us x 2 ,, us xUN  – вектор-строка, определяющая
запускающихсервисxпользователей(клиентов);CAx  ca xij ,
( i  1,2,…,AN; j  1,2,…,AN ) – матрица, устанавливающая последовательность
запуска приложений сервисом x;
APPxy  vappxy , dapp xy , ( x  1,2,…,SN ; y  1,2,…,AN ) – набор данных,
описывающихприложения,используемыесервисами, где
vappxy  vappxy1 , vappxy 2 ,, vappxyDCN ,– вектор-строка, задающая объемы
данных, которыми обменивается приложение y с базами данных при
предоставлении сервиса x; dappxy  dapp yx1 , dappxy 2 ,, dappxAN  – вектор-строка,
задающая объемы данных, которыми обменивается приложение y с другими
приложениями при предоставлении сервиса x;
 NAM – матрица размещения приложений по узлам, UM – матрица
приписывания, подключения клиентов (клиентского оборудования, клиентских
сетей) к узлам, DCM – матрица размещения баз данных по узлам.
Набор однозначно определяет информационную структуру сети.
Для заданного набора ISDON получены результаты, позволяющие
определить параметры потоков данных между узлами сети. При этом
использовалась матрица интенсивностей потоков запросов пользователей
(клиентов) на запуск сервисов   ij , i  1,2,,UN ; j  1,2,, SN  .
Показано, что матрица интенсивностей потоков данных между
информационными узлами сети при предоставлении сервиса x вычисляется по
формуле: MI x  x MDx , x  1,2,, SN  , где MDx – матрица объемов данных,
передаваемых между узлами, при предоставлении сервиса. Вычислены также
матрица интенсивностей потока запросов на запуск приложения номер j, на
узле номер i – APPI и матрица суммарной интенсивности потока запросов к
базе данных номер j, на узле номер i – FI.
Таким образом, определено множество параметров потоков данных
информационной структуры программно-конфигурируемой оптической сети:
ISDONPISDON   , MDx , MI x x  1,2,, SN , MI , APPI, FI.
Разработаны модели для анализа иерархической трехуровневой
информационной структуры сети, позволяющие определить загрузку каналов
связи и сетевого оборудования в ПКОС, состоящей из совокупности доменов
и/или подсетей. Получены следующие результаты:
 матрицы интенсивностей потоков данных между группами и внутри групп
каждого уровня:
MI1 (CP1 )  CP1 MI (CP1 )T , MI 2 (CP2 )  CP2 MI1 (CP1 )  dg (MI1 (CP1 ))(CP2 )T ;
 матрицы интенсивностей потоков данных, образуемых каждым сервисом
MI1x CP1  и MI 2 x CP1 ,  MI   MI x  .
SN

x 1
Исследованы свойства матриц, отражающие взаимосвязи потоков данных
отдельных сервисов. В качестве меры эффективности иерархической структуры
предложены коэффициенты поглощения интенсивностей потоков данных на
каждом уровне. Коэффициент поглощения на каждом уровне отражает долю
суммарной интенсивности потоков, которая локализуется внутри уровня.
Далеерассматриваетсятехническаяструктурапрограммно-
конфигурируемой оптической сети, которая представляет собой совокупность
структурообразующего оборудования, технических узлов сети и каналов связи.
Техническому узлу могут соответствовать несколько информационных.
Результаты анализа информационной структуры позволяют определять
параметры потоков данных между логическими объединениями узлов ПКОС.
Информационная структура реализуется конкретными техническими
средствами и воплощается в виде технической структуры. При этом возможно
несоответствие информационной и технической структур, связанное с
техническими характеристиками и возможностями оборудования. Например, на
одном техническом узле могут быть установлены несколько информационных
узлов, что соответствует реализации контроллеров. В связи с этим разработаны
методы и средства анализа технической структуры программно-
конфигурируемой оптической сети, создаваемой на базе информационной
структуры.
Для анализа работы реальной сети разработан метод формального
описания ее технической структуры. Структура реальной сети формируется с
применением структурообразующего оборудования (фотонные коммутаторы,
маршрутизаторы ЦОД-ов и мультисервисные транспортные платформы), к
которому подключаются конечные пользователи, при этом создается
многоуровневая (часто трехуровневая) сеть. Такой подход применяется, как
правило, при создании мультидоменной программно-конфигурируемой
оптической сети или программно-конфигурируемой оптической сети на базе
технологии MAN (Metro Ethernet). При этом группы первого уровня
информационной структуры составляют соответственно сети внутри доменов
или виртуальные локальные сети Metro Ethernet. Второй и третий уровни
информационной структуры предназначены для соединения этих доменов или
сетей между собой. Далее для краткости будем в основном использовать
терминологию, относящуюся к мультидоменным ПКОС, тем не менее, все
выражения и результаты могут без изменений быть использованы при анализе
ПКОС, построенной с использованием технологии MAN, Metro Ethernet,
отличие будет только в терминах и названиях уровней.
Количество внутридоменных фотонных коммутаторов, мультисервисных
транспортных платформ и центров обработки данных, которые применяются
для соединения узлов технической структуры программно-конфигурируемой
оптической сети при формировании групп первого доменного уровня
(фотонные коммутаторы или мультисервисные транспортные платформы
первого уровня), детерминируется особенностями реальной ПКОС, а также
техническими возможностями оборудования. Обозначим их количество через
FS1* , ( FS1*  FS1  1) . Количество фотонных коммутаторов (мультисервисных
транспортныхплатформ),которые применяютсядлясоединения
внутридоменных фотонных коммутаторов (МТП) и групп первого доменного
уровня и формирования групп второго уровня (фотонные коммутаторы или
мультисервисные транспортные платформы второго уровня) сетей операторов,
обозначим через FS2* , ( FS2*  FS2  1) . Количество фотонных коммутаторов
(мультисервисных транспортных платформ) третьего общесетевого уровня
(пограничные ФК и МТП сети оператора и всей ПКОС в целом), применяемых
для соединения ФК и МТП второго уровня и/или сетей операторов связи
обозначим через FS3* , FS3*  1 .
Техническая структура сети задается множеством TSDON , элементами
которого являются: 1*   1*ij , i  1,2,, NN ; j  1,2,, FS1*  – матрица
соединений технических узлов ПКОС (клиентского оборудования, серверов в
ЦОД) с внутридоменными фотонными коммутаторами первого уровня;
2*   2*ij , i  1,2,, FS1* ; j  1,2,, FS2*  – матрица соединений
внутридоменных фотонных коммутаторов первого уровня (доменного) с
пограничными доменными фотонными коммутаторами второго уровня (сети
оператора); 3*   3*ij , i  1,2,, FS2* ; j  1,2,, FS3*  – матрица соединений
пограничных (сети оператора или ПКОС в целом) фотонных коммутаторов
третьего уровня с пограничными доменными фотонными коммутаторами
второго уровня;  1*  1*ij , i  1,2,, FS1* ; j  1,2,, FS1*  – матрица соединений
внутридоменных фотонных коммутаторов первого уровня (доменного) между
собой;  *2   2*ij , i  1,2,, FS2* ; j  1,2,, FS2*  – матрица соединений
пограничных доменных фотонных коммутаторов второго уровня (сети
оператора) между собой;  *3   3*ij , i  1,2,, FS3* ; j  1,2,, FS3*  – матрица
соединений пограничных (сети оператора или ПКОС в целом) фотонных
коммутаторов третьего уровня (общесетевого) между собой. Матрицы
 1*  1*ij ,  *2   2*ij и  *3   3*ij симметричные.
Для каждого уровня заданы матрицы, определяющие пропускные способности
каналовсвязи,используемыхприпостроенииПКОС:
CP1 1 , CP2 2 , CP3 3 , CP1  1 , CP2  2 , CP3  3  .
***** *******

Для заданного множества TSDON получены следующие результаты:
 матрицаинтенсивностейинформационныхпотоков между
внутридоменными фотонными коммутаторами первого уровня и внутри
групп технических узлов (например, клиентских сетей или серверов в ЦОД),
которые подсоединены к внутридоменным фотонным коммутаторам
первого уровня: MI1* (1* )  mi1*ij  (1* )T MI1* ;
матрица суммарных интенсивностей информационных потоков для
пограничных доменных фотонных коммутаторов второго уровня:
MI 2* (2* )  mi2*ij  (2* )T MI1* (1* )  dg ( MI1* (1* ))2* ;
матрица суммарных интенсивностей информационных потоков между и
внутри пограничных (сети оператора или ПКОС в целом) фотонных
коммутаторов третьего уровня:
MI 3* (3* )  mi3*ij  (3* )T MI 2* (2* )  dg (MI 2* (2* ))3* ;
векторы интенсивностей информационных потоков, поступающих на
фотонныекоммутаторывсехуровней:1*  11* , 12
*

,, 1*FS ,

*
*2  *21 , *22 ,, *2 FS ; *3  *31 , *32 ,, *3 FS
*
*
 вектор суммарных интенсивностей потоков данных, передаваемых по
каналам связи  1*   11* ,  12* ,,  1*NN , i  1,2,, NN  .
Получены также формулы для вычисления параметров потоков данных
каждого сервиса. Поскольку в программно-конфигурируемых оптических сетях
используется маршрутизация, то для вычисления параметров потоков
необходимо применять соответствующие алгоритмы маршрутизации на графах.
Для этого построена матрица графа связей между фотонными коммутаторами
MFS:
  1*2*0 
 * T
MFS   (2 ) *2 3*  .
 0(3* )T  *3 

Таким образом, параметры потоков данных в программно-
конфигурируемой оптической сети для заданной технической структуры
определяются множеством:
TSDONPTSDON   {MI1* 1* , MI 2* 2* , MI3* 3* , 1* , *2 , *3 ,  1* , MFS} .
Множество TSDONP определяет параметры, как суммарных, так и
частных потоков данных для отдельных сервисов (приложений), передаваемых
по каналам связи. Показано, как применять полученные результаты при анализе
структуры MAN (Metro Ethernet) и OVPN ПКОС.
Втретьейглавеисследуетсявозможностьпредоставления
гарантированной скорости передачи данных клиенту в программно-
конфигурируемой оптической сети. Сформулированы основные принципы
организации управляемого оптического уровня.
Для решения проблем традиционного метода создания суперканала
разработан метод формирования суперканала, который основан на
использовании стандартных ступеней мультиплексирования (2,3 и 4 уровни
иерархии) технологии OTH-OTN. Предложено изменить условия перехода на
более высокий уровень иерархии для низкоскоростных блоков ODU. Решены
задачи разработки метода формирования суперканала, увеличивающего
вероятность предоставления сервиса клиенту. Для реализации такого метода
разработан соответствующий алгоритм предоставления маршрута с
гарантированной скоростью передачи данных для клиента (рисунок 1).

Рисунок 1 – Алгоритм предоставления гарантированной скорости передачи
данных клиенту в ПКОС
Алгоритм позволяет оценить возможность создания суперканала и
определить его основные параметры применительно к любой топологии
существующей или проектируемой сети. Решаемая задача сводится к поиску
пути на оптическом уровне (DWDM/OTN) и не учитывает перемаршрутизацию
на уровне IP/MPLS. В общем случае на сети используются сетевые элементы
(СЭ) с транспондерами, поддерживающими функции, описанные в первой
главе. На основе алгоритма разработано ПО, реализующее его работу,
авторские права защищены Свидетельством о государственной регистрации
программы ЭВМ. Проведена оценка спектральной эффективности суперканала,
формируемого по традиционному и разработанному методу, которая показала
значительные преимущества разработанного метода над традиционным в плане
повышения доступности сервисов и спектральной эффективности суперканала.
Предложена математическая модель программно-конфигурируемой
оптической сети с управляемым оптическим уровнем, которая может
использоваться для оценки возможности предоставления гарантированной
скорости передачи данных клиенту в ПКОС. Определены начальные условия
моделирования и ограничения, накладываемые на модель. Выявлено, что при
разработке математической модели необходимо применить технологии и
механизмы модели Integrated Service (IntServ) согласно терминологии QoS.
Для оценки возможности предоставления суперканала с необходимым
числом оптических поднесущих использованы показатели качества
обслуживания заявок (запросов) потоков данных в ПКОС. С помощью доли
потерянных заявок (запросов)  k предлагается определить качество
обслуживания заявок k -го потока, т.е. возможность предоставления
необходимого количества поднесущих. Для вычисления этого показателя
необходимо знать долю времени пребывания линии в состоянии с известным
числом заявок каждого вида, которые находятся на обслуживании. Определен
вид пространства состояний модели S и структура случайного марковского
процесса r (t )  (i1 (t ),i2 (t ),, in (t )) , который описывает динамику их изменения,
ik (t ) – число заявок k -го потока, которые находятся в момент времени t на
обслуживании.  k найдем как значение доли времени пребывания модели в
состояниях, при которых невозможно принять поступившую заявку из-за
нехватки свободного канального ресурса хотя бы в одной из линий, которые
входят в состав k -го маршрута. Вводится гипотеза о независимости отказов в
выделении канального ресурса на отдельных звеньях сети. При вычислениях
использовано свойство мультипликативности.
Определены исходные параметры модели звена. Пусть n – общее число
поступающих потоков заявок. N j – множество номеров потоков заявок, для
обслуживания которых используется j -я линия. Пусть l – номер потока заявок,
которые используют j -ю линию для пересылки трафика, связанного с их
обслуживанием, l  N j . Количество входных потоков будет определяться
числом элементов во множестве N j . a k – интенсивность предложенного
трафика, выраженная в Эрлангах, по сути, это среднее число потенциальных
соединений. Количество канальных единиц обозначим через v j , через bk –
количество единиц ресурса линии, требуемого для обслуживания одной заявки,
а интенсивность поступления заявок, выраженную в Эрлангах, обозначим через
 l , j . Bk , j и B j – доля заявок k -го потока, которые потеряны из-за нехватки
ресурса передачи j -ой линии сети, и доля времени занятости канального
ресурса j -ой линии соответственно, тогда 1 Bk , j  – вероятность просеивания
заявок k -го потока на j -ой линии.
vj

Bk , j  p(i), k  N
i  v j bk 1
j
,

где стационарная вероятность пребывания модели во множестве состояний с i
занятыми каналами p(i) определяется из рекурсивных соотношений. Значение
Bk , j – функция скорости передачи информации j -ой линии сети v j и
параметров семейства потоков, которые проходят через j -ю линию:  l , j и bl .
Обозначим ее через Fk , j v j ;  l , j ; bl , l  N j  . Составлена система неявных
уравнений. Решение системы получено при помощи процедуры
последовательных подстановок и использования рекурсивного алгоритма. Для
получения искомых оценок доли потерянных заявок (возможности создания
суперканала с необходимым числом оптических поднесущих в ПКОС)  k
применены гипотеза о независимости отказов в выделении канального ресурса
на отдельных звеньях сети и рассчитанные значения Bk , j . Получено выражение
для нахождения  k :
 k  1   1  Bk , j , k  1,2,, n .
jRk

Это выражение позволяет оценивать доступность сервисов клиенту в
ПКОС.
В четвертой главе показано практическое применение разработанных
методов и математических моделей для исследования программно-
конфигурируемых оптических сетей (ПКОС).
Проведены расчеты параметров потоков данных для примера
мультидоменной программно-конфигурируемой оптической сети, а также
осуществлен анализ ее структуры. В результате были вычислены
характеристики структуры мультидоменной ПКОС, определяющие качество
предоставляемых сервисов клиенту: интенсивности потоков данных между
узлами сети, нагрузка на узлы и структурообразующее оборудование сети.
Выявлены количественные оценки влияния структуры ПКОС на качество
предоставляемых сервисов. Важно отметить, что при изменении структуры,
например, добавлении или удалении новых сетевых устройств, оборудования и
приложений,необходимопроизвестиперерасчетрассматриваемых
характеристик.
Исследована возможность предоставления сервиса гарантированной
скорости передачи данных клиенту между двумя узлами в домене ПКОС. Граф
анализируемой сети представлен на рисунке 2. Моделирование процесса
предоставления гарантированной скорости передачи данных в ПКОС
посредством разработанного в Главе 3 математического аппарата позволяет
получить основные представления о влиянии различных параметров сети на
возможность предоставления сервиса, которые в дальнейшем могут быть
применены на практике.

Рисунок 2 – Граф программно-конфигурируемой оптической сети с
управляемым оптическим уровнем

Исследование проведено при различной загрузке сети и изменении
параметров исследуемого потока, посредством которого реализуется сервис
(изменялось число требуемых для предоставления сервиса оптических
поднесущих и интенсивность поступающего потока заявок (запросов)). Эти
значения выбраны в диапазонах, которые обеспечивают весь интервал
изменения величины доли потерянных заявок (от малых до больших значений),
а также позволяют определить, какой параметр больше влияет на вероятность
отказа в предоставлении сервиса.
Проведено исследование возможности предоставления гарантированной
скорости передачи данных клиенту при заданном значении интенсивности
поступающего потока заявок (запросов) и различном числе используемых
оптических поднесущих. Требуется определить значения доли потерянных
заявок для потока, проходящего через узлы 1,3,5 и 6. Исследование проведено
для различного количества оптических поднесущих этого потока (от 1 до 10),
что позволит применять полученные результаты для большинства ПКОС. Так
как каналы связи дуплексные, то исходный граф является неориентированным.
Присвоены номера поступающим потокам заявок (запросов), перечислены
маршруты, по которым проходят эти потоки, а также указано количество
единиц канального ресурса (оптических поднесущих), необходимого для
обслуживания этих заявок bk и интенсивности поступающих заявок a k ,
выраженные в Эрлангах. Модель ПКОС исследовалась для трех вариантов
загрузки:малой( a2i 1  10 , a2i  5 и a13  a12 , i  1,2,,6 ), средней
( a2i 1  20 , a2i  10 и a13  a12 , i  1,2,,6 ) и высокой ( a2i 1  30 , a2i  15 и
a13  a12 , i  1,2,,6 ). Предполагается, что интенсивность сервиса на
предоставление гарантированной скорости передачи клиенту в ПКОС довольно
высока, т.к., возможно, будут передаваться данные между ЦОД. Из этих
соображений интенсивность поступающих заявок, проходящих через маршрут
1, 3, 5 и 6 принята равной 25 Эрланг. Количество канальных единиц, доступных
в линиях связи между узлами, равно: v1  96 , v2  88 , v3  96 , v4  96 , v5  192 ,
v6  192 и v7  88 . Такие значения позволяют выделить в сети современную
(количество канальных единиц 192) и устаревшую части (количество
канальных единиц 88 и 96), что более точно моделирует имеющиеся реальные
сети связи. Значения доли потерянных заявок для исследуемого потока,
имеющего 14 номер, определяются соответственно из выражения:
 14  1  1  B14,3 1  B14,5 1  B14, 6  .
Результатыпроведенногоэкспериментальногоисследования
представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Результаты оценки значений доли потерянных заявок (запросов)
для 14-го потока  14 при различной загрузке сети, b14  110 и a14  25 Эрланг

Затем исследование проводится при различной интенсивности
поступления заявок (запросов) исследуемого 14-го потока для двух
фиксированных значений количества используемых оптических поднесущих
этого потока: минимальном – 1 ( b14  1 ) и максимально рекомендуемом – 5
( b14  5 ). Это позволит оценить вклад каждого из этих параметров
(интенсивности поступающего потока заявок и необходимого числа оптических
поднесущих) в вероятность отказа в предоставлении сервиса клиенту. Также
выбор этих значений обусловлен рекомендациями, данными в результате
проведенного эксперимента (следует использовать не более 5 оптических
поднесущих в суперканале при реализации сервиса). Интенсивность
поступающих заявок, проходящих через маршрут 1, 3, 5 и 6, будем изменять в
диапазоне от 1 до 100 Эрланг ( a14  1,5,,100 Эрланг) с шагом 5 Эрланг.
Результаты проведенных экспериментальных исследований для новых условий
моделирования представлены на рисунке 4.
а)б)
Рисунок 4 – Результаты оценки значений доли потерянных заявок для 14-го
потока  14 при a14  1,5,,100 Эрланг , b14  1 (а),
при a14  1,5,,100 Эрланг, b14  5 (б) и различной загрузке сети

Проведенные исследования домена ПКОС и полученные результаты
показали, что наибольший вклад в вероятность отказа в предоставлении
сервиса вносит используемое количество оптических поднесущих в
суперканале. Выявлено, что для средней и высокой загрузки сети характер
изменения значений доли потерянных заявок (запросов) близок как при
различном количестве используемых оптических поднесущих, так и при
различной интенсивности поступающего потока заявок (запросов).
Исследованиятакжедополнительноподтверждаютактуальность
разработанного метода формирования суперканала, который по сравнению с
традиционным методом позволяет не только значительно повысить
спектральную эффективность создаваемого суперканала, но и увеличить
вероятность предоставления сервисов в ПКОС за счет уменьшения требуемого
количества оптических поднесущих для создания суперкнала.
Разработана методика анализа структуры ПКОС и оценки возможности
предоставлениявнейсервисовклиентам.Подробноописана
последовательность проведения необходимых действий для исследования
ПКОС. Применение разработанной методики при анализе (в процессе
эксплуатации) или синтезе (в процессе построения) программно-
конфигурируемых оптических сетей позволяет комплексно определить влияние
различных факторов на качество предоставляемых сервисов клиентам. На
рисунке 5 представлена блок-схема, визуализирующая предлагаемую методику.
Полученные в главе результаты можно рассматривать как основу для
решения задач по оценке возможности предоставления современных сервисов
клиенту в ПКОС, а также их качества.
Рисунок 5 – Методика анализа и исследования ПКОС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненного диссертационного исследования
состоят в следующем:
1.Проведен анализ состояния и направлений развития программно-
конфигурируемых оптических сетей, который показал, что применение
принципов реализации ПКОС, позволяет повысить эффективность управления
оптическими транспортными сетями и в полной мере использовать все ресурсы
таких сетей для реализации современных сервисов, требующих динамического
предоставления необходимой скорости передачи данных и изменения
конфигурации сети в режиме реального времени. Результаты проведенного
анализа архитектур, функционирования и сервисов ПКОС позволили
формализовать описание механизма предоставления современных сервисов
клиентам, включая сервис, обеспечивающий гарантированную скорость
передачи данных клиенту. Данные результаты дали возможность разработать
методику анализа структуры программно-конфигурируемой оптической сети и
оценки возможности предоставления в ней сервисов клиентам.
2.Исследования существующего метода формирования суперканала,
обеспечивающего реализацию сервиса гарантированной скорости передачи
данных клиенту Bandwidth on Demand в программно-конфигурируемой
оптической сети, позволили выявить следующее:
 для некоторых запрашиваемых скоростей передачи данных требуется
наличие большого числа низкоскоростных поднесущих, что может
привести к отказу в предоставлении сервиса клиенту;
 спектральная эффективность создаваемого суперканала является
относительно невысокой за счет использования в некоторых случаях
большого числа низкоскоростных поднесущих.
Установлено, что для решения перечисленных выше проблем необходимо
разработать новый подход к формированию суперканала, а для оценки
возможности предоставления сервисов клиентам необходимо разработать
математический аппарат, позволяющий вычислять характеристики качества
обслуживания в программно-конфигурируемой оптической сети.
3.Проведенный сравнительный анализ характеристик транспондеров,
применяемых в программно-конфигурируемых оптических сетях, позволил
определить набор ключевых параметров (скорости передачи, применяемые
форматы модуляции, сетки частот, дальности передачи), используемых при
организации канала связи для клиента. Полученные результаты были
применены при разработке нового метода формирования суперканала.
4.Разработан комплекс математических моделей для расчета
параметров потоков данных в информационной и технической структурах
программно-конфигурируемой оптической сети, позволяющий вычислять
характеристики структуры: интенсивности потоков данных между узлами сети,
нагрузку на узлы и структурообразующее оборудование сети. Установлены
количественные оценки влияния структуры сети на качество предоставляемых
сервисов. Модели дают возможность оценить влияние каждого приложения и
сервиса на загрузку каналов связи и коммуникационного оборудования сети.
5.Разработан метод формирования суперканала, позволяющий
уменьшить необходимое число оптических поднесущих по сравнению с
существующим методом. Предложено изменить условия перехода на более
высокий уровень иерархии технологии OTH-OTN для низкоскоростных блоков
ODU. Определено максимальное количество оптических поднесущих, которое
следует использовать в суперканале. Проведена оценка спектральной
эффективности суперканала, формируемого по существующему и
разработанному методу. Расчеты показали, что разработанный метод позволяет
значительно минимизировать (максимум в 5 раз) количество оптических
поднесущих и увеличить (для некоторых комбинаций поднесущих более чем в
5.5 раз) спектральную эффективность формируемого суперканала по
сравнению с существующим методом. Все это теоретически дает возможность
увеличить вероятность предоставления сервиса клиенту.
6.Разработаны алгоритм и программное обеспечение, реализующие
предложенный метод формирования суперканала, которые позволяют оценить
применительно к любой топологии существующей или проектируемой
программно-конфигурируемой оптической сети возможность создания
суперканала и определить его основные параметры: количество блоков
ODU,OTU, оптических несущих, скорость передачи информации каждой
оптической несущей, возможность создания суперканала на данном оптическом
участке, а также порядок размещения оптических несущих в суперканале. На
основе полученных в результате работы ПО выходных файлов контроллер
ПКОС может задать транспондерам, какие оптические несущие использовать и
как их располагать в рабочих диапазонах.
7.Разработана математическая модель программно-конфигурируемой
оптической сети с управляемым оптическим уровнем для расчета показателей
качества обслуживания потоков данных и оценки возможности предоставления
гарантированной скорости передачи данных клиенту. Математическая модель
позволяет оценить искомые показатели и параметры через вероятность
предоставления клиенту необходимого количества канальных единиц
(оптических несущих). Выявлено, что при разработке математической модели
необходимо применить технологии и механизмы модели Integrated Service
(IntServ) QoS. Определены параметры звена сети, процедура приема заявки
(запроса) на предоставление сервиса клиенту, вид пространства состояний
модели и структура случайного процесса, который описывает динамику их
изменения. Качество обслуживания заявок потоков данных предложено
определять с помощью доли потерянных заявок (запросов), т.е. возможности
предоставления необходимого количества несущих, и загрузки ресурса линии
обслуживанием заявок потоков данных, т.е. среднего числа занятых канальных
единиц (оптических несущих). Показано, что среднее число занятых каналов
может быть выражено через долю потерянных заявок. Разработан рекурсивный
расчетный алгоритм, позволяющий определить долю потерянных заявок
(запросов) на предоставление сервиса и среднее число занятых каналов.
Полученные значения доли потерянных заявок позволяют определить
возможность создания суперканала с гарантированной скоростью передачи
данных в ПКОС.
Таким образом, разработана законченная методика анализа структуры
ПКОС и оценки возможности предоставления в ней сервисов клиентам,
использующая предложенные методы и математические модели. Предложенная
методика может использоваться проектировщиками и администраторами
программно-конфигурируемыхоптическихсетейдляповышения
эффективности управления сетью и качества обслуживания клиентов.