Фатхулин Тимур Джалилевич. Модели и алгоритмы анализа и исследования программно-конфигурируемых оптических сетей

Краткое описание

Фатхулин Тимур Джалилевич. Модели и алгоритмы анализа и исследования программно-конфигурируемых оптических сетей;[Место защиты: ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский технологический университет»], 2021

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
(МИНОБРНАУКИ РОССИИ)
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«МИРЭА - Российский технологический университет»
РТУ МИРЭА
На правах рукописи
Фатхулин Тимур Джалилевич
Модели и алгоритмы анализа и исследования
программно-конфигурируемых оптических сетей
Специальность 05.13.15 - Вычислительные машины, комплексы и компьютерные
сети
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Леохин Юрий Львович
Москва - 2022
Введение 6
1. Исследование и анализ состояния и перспектив развития программно-конфигурируемых оптических сетей 14
1.1 Современное состояние и перспективы развития телекоммуникационных
технологий 14
1.2 Анализ технологии ПКС (SDN) 18
1.2.1 Особенности технологии ПКС 19
1.2.2 Архитектура технологии ПКС 19
1.2.3 Реализация технологии ПКС 21
1.2.4 Преимущества и недостатки технологии ПКС 22
1.3 Перспективные решения для внедрения технологии ПКОС 24
1.4 Анализ технологии ПКОС 28
1.4.1 Архитектура ПКОС 29
1.4.1.1 Пример реализации распределенного контура управления с
одноуровневой архитектурой 33
1.4.1.2 Пример реализации распределенного контура управления с
иерархической архитектурой 34
1.4.2 Функционирование и сервисы ПКОС 36
1.4.3 Механизм предоставления сервиса гарантированной скорости
передачи данных клиенту в ПКОС 38
1.4.4 Существующий метод формирования суперканала в ПКОС 40
1.5 Сравнительный анализ технических характеристик транспондеров,
используемых в ПКОС 44
1.6 Реализация ПКОС 46
1.7 Постановка задачи диссертационного исследования 48
Основные результаты и выводы 49
2. Математические модели для расчета параметров потоков данных и
анализа структур программно-конфигурируемых оптических сетей 52
2.1 Общие проблемы и принципы анализа структур ПКОС 52
2.2 Описание информационной структуры ПКОС 59
2.3 Расчет параметров потоков данных между узлами информационной
структуры ПКОС 67
2.4 Расчет параметров потоков данных для иерархической информационной
структуры ПКОС 73
2.5 Расчет параметров потоков данных для иерархической технической
структуры ПКОС 83
2.5.1 Анализ технической структуры ПКОС, построенной по технологии мультидоменных сетей или MAN 84
2.5.1.1 Описание технической структуры ПКОС 84
2.5.1.2 Расчет параметров потоков данных для технической структуры 90
2.5.2 Расчет параметров потоков данных для иерархической технической структуры ПКОС, построенной по технологии оптической VPN (OVPN) ... 103
Основные результаты и выводы 107
3. Математические модели для оценки возможности предоставления гарантированной скорости передачи данных клиенту в программно-
конфигурируемых оптических сетях 110
3.1 Метод формирования суперканала, позволяющий уменьшить необходимое
число оптических поднесущих 110
3.2 Алгоритм предоставления маршрута с гарантированной скоростью
передачи данных для клиента 112
3.3 Оценка значений спектральной эффективности суперканалов,
формируемых традиционным и разработанным методами 118
3.4 Расчет показателей качества обслуживания потоков данных в ПКОС .... 121
3.4.1 Постановка задачи и определение ограничений, накладываемых на модель 121
3.4.2 Математическая модель звена ПКОС 123
3.4.3 Математическая модель ПКОС заданной топологии 128
Основные результаты и выводы 134
4. Применение разработанных методов и математических моделей для исследования программно-конфигурируемых оптических сетей и предоставляемых в них сервисов клиентам 136
4.1 Расчет параметров потоков данных и анализ структур программно-конфигурируемых оптических сетей 136
4.1.1 Описание информационной структуры ПКОС 137
4.1.2 Расчет параметров потоков данных для информационной структуры ПКОС 144
4.1.3 Расчет параметров потоков данных и нагрузки на узлы для
иерархической информационной структуры ПКОС 149
4.1.4 Расчет параметров потоков данных и нагрузки на каналы связи и
оборудование для иерархической технической структуры ПКОС 152
4.2 Определение возможности создания суперканала в ПКОС и его основных
параметров согласно разработанному методу 156
4.3 Оценка возможности предоставления гарантированной скорости передачи
данных клиенту в ПКОС 161
4.3.1 Определение начальных условий моделирования 161
4.3.2 Исследование возможности предоставления гарантированной скорости
передачи данных клиенту при заданном значении интенсивности поступающего потока заявок (запросов) и различном числе используемых оптических поднесущих 163
4.3.3 Исследование возможности предоставления гарантированной скорости передачи данных клиенту при заданном числе используемых оптических поднесущих и различных значениях интенсивности поступающего потока
заявок (запросов) 166
4.4 Методика анализа структуры ПКОС и оценки возможности
предоставления в ней сервисов клиентам 170
Основные результаты и выводы 172
Заключение 174
Список сокращений 178
Список литературы 181
Приложение А Схема мультиплексирования технологии OTN-OTH 200
Приложение Б Сравнительные характеристики транспондеров 201
Приложение В Алгоритмы и программный код, реализующие
разработанный метод формирования суперканала 202
Приложение Г Расчет показателей качества обслуживания потоков данных в
домене ПКОС 216
Приложение Д Свидетельство о государственной регистрации программы
для ЭВМ 221
Приложение Е Акты внедрения 222

Список литературы

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-конфигурируемых оптических сетей для повышения эффективности управления сетью и качества обслуживания клиентов