сеть спд ржд что это
Сеть спд ржд что это
Ее можно считать самой крупной в России и одной из крупнейших в Европе корпоративной телекоммуникационной сетью для передачи интегрированного трафика (голос, видео, данные), построения виртуальных частных сетей VPN, использования ШЗ телефонии и предоставления других услуг.
Решение о создании СПД МПС было принято в конце 1998 г. В качестве базового выбрано семейство протоколов TCP/IP, так как большинство новых информационных систем МПС было ориентировано именно на них. При этом действующие специфические протоколы реализуются в виде наложенных сетей, а для организации виртуальных сетей используется технология MPLS.
Причиной создания единой, мощной и надежно защищенной отраслевой сети с единым протоколом было наличие трех систем передачи данных с собственными протоколами: Экспресс — автоматическая продажа пассажирских билетов (протокол BSC3); сеть АСОУП — обслуживание системы оперативного управления грузовыми перевозками (протокол АП 70); сеть межмашинного обмена и обработки административных данных между Mainframe (протокол BSC1).
В то же время информационные системы отдельных железных дорог и подразделений МПС России действовали преимущественно локально. Это существенно затрудняло решение задач централизованного управления и сдерживало развитие и реформирование железных дорог.
Таким образом, основным назначением СПД было создание единой транспортной инфраструктуры для решения отраслевых задач информатизации: управление перевозочным процессом, маркетингом, экономикой и финансами, инфраструктурой транспорта, непроизводственной сферой перевозок.
Создаваемая информационная система должна быть многоуровневой и универсальной, иметь единую транспортную платформу для всех информационно-управляющих систем, поддерживать общий сетевой и специальные протоколы обмена. Необходимо было предусмотреть поэтапную модернизацию существующих отраслевых и локальных сетей на уровне управлений, отделений, линейных предприятий, станций. Кроме того, важно было обеспечить доступ к ресурсам с показателем надежности не менее 0,9998; автономность на сетевом уровне для безопасности информационных систем и поддержки виртуальных частных сетей; соответствие используемого оборудования международным, российским и отраслевым стандартам и сертификатам в России.
Первая очередь проекта была завершена к декабрю 1999 г. Вся сеть построена на маршрутизаторах Cisco. В качестве среды передачи данных стали использоваться цифровые каналы связи с пропускной способностью от 128 до 2048 кбит/с, арендованные у компаний ТрансТелеКом и Ростелеком.
С появлением дополнительных каналов магистральный сегмент сети, связывающий все дороги и ГВЦ МПС, был деформирован на уровне дорожных сегментов, распространен до транзитно-пе-риферийных и периферийных узлов сети передачи данных. Это открыло дополнительные возможности для клиентов в отдаленных пунктах и позволило повысить качество предлагаемого им сервиса.
В течение 2000—2001 гг. был создан резервный центр ГВЦ МПС в Московской области.
Сегодня СПД представляет собой сеть маршрутизаторов TCP/IP, состоящую из 17 дорожных сегментов (подключение информационных ресурсов ОбТН на дорогах), сегмента ГВЦ (подключение информационных ресурсов ОбТН в ГВЦ и в Москве) и магистрального сегмента. В свою очередь 17 дорожных сегментов включают в себя региональные, транзитно-периферийные, периферийные и оконечные узлы, в которых создана собственная инфраструктура, построены или модернизированы локальные вычислительные сети, установлены маршрутизаторы разного уровня, обеспечивающие необходимые сервисы для организации обмена информацией.
СПД ОАО «РЖД» имеет двухуровневую иерархическую структуру. Она организована по топологии «звезда» с использованием рокадных соединений между региональными узлами смежных дорог (рис. 1).
Тип узлаМесто расположенияКоличество узлов
Центральный узел (ЦУ)ГВЦОАО«РЖД», г. Москва2
Региональные узлы (РУ)Управления дорог17
Транзитно-периферийные узлы (ТПУ)ЛАЗы НОД, крупные железнодорожные узлы100
Периферийные узлы (ПУ)ЛАЗы крупных станций900
Оконечные узлы (ОУ)Линейные предприятия дорог9000
Модель маршрутизации магистрального сегмента СПД строится на основе следующих условий. Транзит трафика между несмежными дорогами осуществляется через центральные маршрутизаторы, а в случае их недоступности — через агрегирующий маршрутизатор другой дороги, смежной обеим указанным дорогам. Между смежными дорогами — преимущественно через рокадные соединения, а в случае их недоступности или перегруженности — через центральные маршрутизаторы. Допускается распределение нагрузки между основным и резервными магистральными соединениями.
Дорожные сегменты (ДС) состоят из регионального, транзитно-периферийных, периферийных и оконечных узлов, локальных сетей предприятий и отдельных АРМов.
В структуре дорожного сегмента от транзит-но-периферийного узла до регионального должно существовать, как минимум, два независимых цифровых канала; длина маршрута от любого оконечного узла до РУ не более 8 транзитных маршрутизаторов; количество ПУ, выстроенных в цепочку, не должно превышать семи.
Дорожный сегмент СПД делится на два уровня: транспортный уровень, обеспечивающий высокоскоростной транзит трафика между узлами ДС, и уровень доступа, основная функция которого — обеспечение доступа оконечных узлов к транспортному уровню.
Подобное разделение на два уровня дает преимущества по разделению нагрузки на различные устройства; масштабируемости (возможности наращивать мощность узла, модифицируя только одну подсистему); упрощению процедуры локализации неисправностей в сети.
При этом обеспечивается возможность подключения к транзитно-периферийному узлу 6 каналов Е1 или более и производительность более 50 000 пакетов в секунду. Оборудование транспортной подсистемы должно иметь резервный блок питания и поддержку технологии MPLS/ VPN.
Периферийный узел должен иметь возможность подключения от 2 до 4 каналов Е1, производительность более 15000 пакетов в секунду и под держку различных интерфейсов (Ethernet, Serial (sync/async), xDSL) для подключения оконечных узлов.
Функционирование всего комплекса контролирует ГВЦ. В нем расположен центральный узел управления магистральным сегментом. Узлы и элементы второго уровня управляются службами эксплуатации дорожных центров СПД. Базовым программным обеспечением системы управления стали системы HP OpenView и CiscoWorks 2000, а ее основой — система инвентаризации и управления HP OpenView Desktop Administrator. На всех узлах имеются также дополнительные элементы управления (Internetwork Performance Monitor, Netsys Service Level Manager, CiscoSecure ACS и Cisco Voice Manager).
Транспортный комплекс объединяет не только участников перевозочного процесса, но и промышленные, социальные объекты и учебные заведения. Их значительная часть находится вне корпоративного пространства. В рамках СПД доступны системы видеоконференцсвязи (ВКС). Их используют как для дистанционного обучения, так и для программы телемедицины. Благодаря внедрению таких систем открылись возможности организации консультаций и диагностики, обучения персонала удаленных от центра учреждений.
Созданная инфраструктура отраслевой СПД уже сейчас способна обеспечить передачу трафика информационных и управляющих систем ОАО «РЖД»: управления перевозками, дислокации вагонного парка, фирменного транспортного обслуживания, контейнерного парка. Одновременно СПД служит транспортной системой для электронной почты, Интранета, корпоративных web-порталов, IP-телефонии, систем телемедицины и дистанционного обучения.
СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА БАЗЕ КОНЦЕНТРАТОРОВ ИНФОРМАЦИИ КИ-6М «СПД ЛП»
2 ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ
2.1 Состав и структура технических средств
2.1.1 В состав технических средств СПД входят:
1) концентраторы информации КИ-6М (ТУ 4035 004 45602127 2000);
2) сервер СПД (45602127.49931.001-01).
2.1.2 Концентраторы информации, соединенные между собой выделенными каналами или линиями связи, предназначены для передачи и маршрутизации по СПД пакетов данных, формируемых и передаваемых оконечным оборудованием данных (ООД) прикладных систем. В качестве ООД могут применяться как специализированные программно-аппаратные комплексы (периферийные контроллеры), так и персональные ЭВМ класса IBM РС, содержащие специализированные программные средства для обеспечения информационного взаимодействия с другими ООД через СПД.
2.1.3 Концентратор информации КИ-6М может обслуживать до 6 каналов информационной связи. Два канала, как правило, используются для подключения концентратора в систему передачи данных, остальные 4 канала могут использоваться для подключения ООД.
2.1.4 Сервер СПД предназначен для централизованного контроля работы средств СПД и каналов связи, управления потоками данных в СПД, а также для маршрутизации данных между СПД и локальной вычислительной сетью (ЛВС) центра диспетчерского контроля и управления.
2.1.5 В качестве сервера СПД применяется персональная или в промышленном исполнении IBM-совместимая ЭВМ, функционирующая под управлением программного средства «Сервер СПД», поставляемого в составе системы. Требования к составу и техническим характеристикам сервера СПД приведены в «Сервер СПД. Руководство системного программиста. 45602127.49931.001-01 32 01».
2.2 Виды топологий СПД
2.2.1 Технические и программные средства СПД поддерживают следующие виды структуры:
1) структура с т.н. «ячеистой» топологией, в которой узлы СПД (концентраторы информации КИ 6М) соединяются выделенными каналами или линиями связи по принципу «точка-точка»;
2) структура с т.н. топологией «шина», в которой узлы СПД соединяются с сервером СПД многоточечным (групповым) каналом связи.
В решении проблем информатизации железнодорожного транспорта России одной из важнейших является задача автоматизации сбора (съема) первичной оперативной информации в местах ее зарождения, обеспечения при этом максимальной достоверности информации и минимального времени доставки ее потребителям в соответствии с установленными нормативами.
Актом приемочной комиссии, назначенной Указанием МПС РФ № С 1092у от 10.12.1996 г., система и аппаратно-программный комплекс СПД-ЛП приняты и рекомендованы для тиражирования и применения на сети железных дорог России в качестве базовой системы автоматического сбора, обработки и передачи информации, получаемой от прикладных систем:
— контроля технического состояния подвижного состава (ПОНАБ, ДИСК, РИСК);
— контроля функционального и технического состояния устройств СЦБ на станциях и перегонах;
— автоматической идентификации подвижных объектов железнодорожного транспорта;
— контроля функционального и технического состояния средств связи, энергетического хозяйства, охранной и пожарной сигнализации и при необходимости других объектов железнодорожного транспорта.
Система передачи данных организуется с использованием имеющихся каналов тональной частоты и включает в себя: головную ПЭВМ (сервер сигналов), концентраторы (КИ) и контроллеры (К).
В качестве сервера сигналов используется включенная в локальную вычислительную сеть ПЭВМ, имеющая последовательные порты СОМ 1 и COM2.
Сеть передачи данных предусматривается для диспетчерских кругов с использованием существующих каналов связи. Общее число участковых сетей сбора данных определяется из условий обеспечения гарантированного минимального времени доставки информации. Для контроля и оперативного руководства предусматриваются автоматизированные рабочие места — ДНЦ, ВЧД, ДГП НОД, ШД, ШЧД.
В состав устройств системы передачи данных СПД-ЛП входят:
— контроллеры СЦБ (К), осуществляющие сбор информации путем подключения к лампам табло ЭЦ и передачу ее в сеть СПД-ЛП непосредственно или через концентратор информации;
— котроллеры ДИСК (Д) и ПОНАБ (П), осуществляющие сбор информации со станционных стоек и передачу ее в сеть СПД-ЛП;
— концентраторы информации (КИ), обеспечивающие увязку с контроллерами СЦБ, ДИСК, ПОНАБ.
Концентраторы информации КИ представляют собой микропроцессорные устройства с блоком питания и набором отдельных модулей, к которым относятся: центральный процессор (МЦП-2); устройство преобразования сигналов токовое (УПСТ);
дискретный ввод (МДВ-3, МДВ-4) и модемы. Позиции модемов или модулей УПСТ (RS-232) условно нумеруются от «О» до «5». Позиция «О» (крайняя левая в корпусе концентратора) и соответственно канал, подключаемый к разъему КО, предназначены для передачи информации «вышестоящему» устройству в СПД, а позиции «1. 5» (так называемые низовые каналы, подключаемые к разъемам К1. К5) — для сбора информации от «нижестоящих» устройств.
Концентраторы устанавливаются на станциях в ЛАЗах, комнатах связи или в других помещениях, где имеется питание 220 В или 24 В, подведены четырехпроводные окончания подключаемых каналов и имеется возможность их обслуживания.
Контроллеры также представляют собой микропроцессорные устройства и предназначены для съема информации с низовых устройств, ее обработки и оформления соответствующим образом для передачи в СПД.
Для доставки этой информации от контроллеров к серверу сигналов разработаны два варианта систем передачи данных, предназначенных для работы с каналообразующей аппаратурой различных типов.
Организация СПД на негрупповых каналах. Этот вариант реализуется на любой аппаратуре связи, обеспечивающей негрупповые каналы тональной частоты ТЧ (П-309, П-330, ВЗ-З и пр.) и имеет древовидную структуру (рис. 1.5, а).
Процесс обмена информацией происходит по следующему алгоритму. Каждый из концентраторов периодически посылает кадр типа ЗАПРОС по всем имеющимся у него низовым каналам (кроме канала «0») и ожидает ответа на него. Нижестоящий концентратор или контроллер, получив запрос и проверив его на соответствие формату, отвечает на него либо кадром ПУСТОЙ ОТВЕТ (при отсутствии информации для передачи), либо ИНФОРМАЦИОННЫМ КАДРОМ (при наличии информации). Если запрос принят с ошибками (или обнаружено несоответствие формату), нижестоящее устройство на такой запрос не отвечает вообще.
Концентратор, получив ответ и также проверив его соответствие формату и совпадение контрольной суммы, посылает либо следующий запрос (при нормальном приеме), либо запрос на ПОВТОР КАДРА (при ошибках в приеме). Следует обратить внимание на то, что запрос на ПОВТОР КАДРА концентратор посылает, выдержав паузу около 1,5 с, а запрос следующего кадра—сразу же, без паузы.
При неполучении ответа на очередной запрос более двух раз подряд по какому-либо из низовых каналов, концентратор формирует и передает вышестоящему устройству сообщение об отказе данного канала. Отказ канала индицируется на экране сервера сигналов. После восстановления канала также передается соответствующее сообщение, получив которое, сервер сигналов гасит индикацию отказа данного канала.
По каналу «0» концентратор запросов не посылает, ожидая запрос от вышестоящего устройства и отвечая на него, как описано выше. При отсутствии связи с вышестоящим устройством концентратор сохраняет принятую информацию в своей памяти. Когда она будет полностью заполнена, концентратор перестанет посылать запросы по низовым каналам до тех пор, пока вся хранящаяся информация не будет передана или уничтожена (переключением питания концентратора или посылкой команды СБРОС). ПЭВМ (сервер сигналов) посылает концентратору, подключенному к СОМ-порту, запросы такого же формата и ожидает ответа от него. Кроме того, ПЭВМ может передавать любые сообщения или команды любому устройству СПД. Они имеют структуру информационного кадра и рассылаются концентраторами всем устройствам СПД, но исполняются лишь тем, кому они адресованы, а остальными игнорируются.
Организация СПД на групповых каналах. Второй вариант СПД реализуется с использованием групповых каналов ТЧ (К-24 «АСТРА», К-ЗТ). В этом случае СПД имеет линейную структуру и не требует применения концентраторов, за исключением одного, являющегося согласующим устройством между каналами связи и ПЭВМ, называемого КООРДИНАТОРОМ.
Все контроллеры подключаются к четырехпроводным окончаниям группового канала (рис. 1.5, б).
Принцип работы СПД на групповых каналах основан на последовательном опросе контроллеров, подключенных к этому каналу. Инициатором опроса является сервер сигналов, который через координатор посылает кадр ЗАПРОС поочередно каждому контроллеру. Этот запрос принимают все контроллеры, подключенные к данному каналу, но отвечает на него только тот, адрес которого совпадает с адресом, указанным в запросе. Контроллер, получив «свой» запрос и проверив его на соответствие формату, отвечает кадром ИНФОРМАЦИОННЫЙ ОТВЕТ, если имеет информацию для передачи, и кадром ПУСТОЙ ОТВЕТ, если не имеет такой информации. Информационный ответ принимается координатором, проверяется на правильность формата и совпадение контрольной суммы и при отсутствии ошибок передается в сервер сигналов. При наличии ошибок кадр игнорируется, о чем сообщается серверу сигналов, и в следующем запросе данному контроллеру будет передана команда повторить предыдущий кадр. При неполучении ответа от контроллера координатор также передает в ПЭВМ сообщение об отказе устройства, что индицируется на экране сервера сигналов.
Как показывает практика, не всегда является возможным организовать чисто линейную структуру, так как не на всех станциях имеется возможность подключения к групповому каналу, и, кроме того, при наличии нескольких контроллеров на одной станции их невозможно подключить непосредственно к одному канальному окончанию. Поэтому возникает необходимость в «гибридном» варианте СПД, объединяющем оба описанных выше варианта (рис. 1.5, в). Структура СПД в таком случае получается достаточно сложной. Увеличивается количество различных вариантов программ, устанавливаемых в контроллерах и концентраторах, что несколько усложняет наладку и эксплуатацию системы.
Для передачи информации в СПД всех вариантов используются модемы с частотной модуляцией 1300/2100 Гц, обеспечивающие скорость передачи 1200 бод. Уровни передаваемых сигналов регулируются и должны устанавливаться в соответствии с нормативами для передачи информации по каналам ТЧ и физическим линиям связи.
Контроллеры и концентраторы с модулями МЦП-2 (рис. 1.6) имеют два информационных выхода благодаря наличию дополнительного коммуникационного порта типа RS-232 с выходом на разъем К8. Основной выход (К7 в контроллерах и КО в концентраторах) и дополнительный (К8) полностью независимы друг от друга и равноправны. Контроллеры и концентраторы могут выдавать информацию по обоим этим выходам или по любому из них. Информация с дополнительного выхода К8 выдается всегда в протоколе К-2.
Контроллер СЦБ (К) устройств ЭЦ с модулями дискретного ввода МДВ служит для съема информации с ламп табло и ламп стрелочного коммутатора, имеющего нейтральное положение рукоятки, при котором контрольные лампы не горят. Примеры подключения схем к модулю МДВ приведены на рис. 1.7. Во время работы контроллер считывает информацию со всех входов всех модулей и побитно сравнивает ее с информацией, считанной в двух предыдущих циклах чтения.
Изменение сигнала считается действительным, если оно подтверждается в двух циклах подряд, иначе игнорируется. При обнаружении действительного изменения хотя бы одного сигнала формируется информационный блок. В этот блок включается информация только с тех модулей, в которых было обнаружено действительное изменение хотя бы одного бита информации, а также указывается порядковый номер этих модулей. Если состояние входов каких-либо модулей не изменялось, то информация с них в этот блок не включается.
Каждые 2 мин независимо от наличия изменений в информации формируется и передается полный блок, в который включается информация от всех установленных в контроллере модулей.
Подключение модулей МДВ к объектам контроля производится при помощи штатных жгутов через разъемы типа РП14-30, причем вилка располагается на жгуте, а к розетке подключаются монтажные провода, идущие от контролируемых объектов через резисторы. Резисторы Зк, через которые объекты контроля подключаются к модулям МДВ, размещаются на специальных панелях.
В контроллере ДИСК (Д) предусмотрены два специальных модуля МДВ-ДИСК для считывания информации со станционной стойки в параллельном двоично-десятичном коде, поступающим по 40 линиям. Считанная информация обрабатывается и оформляется в блоки типа «вагон» и «поезд», которые передаются на центральный пост через СПД.
Контроллер ПОНАБ (П) отличается лишь тем, что вместо модулей МДВ-ДИСК в нем устанавливаются модули МПВ, которые считывают информацию с приемной стойки ПОНАБ в последовательном 5-битовом коде. Эта информация также обрабатывается, оформляется в блоки и передается на центральный пост.
Блоки питания, модули центрального процессора, модемы, а также корпуса контроллеров ДИСК и ПОНАБ унифицированы и взаимозаменяемы между собой и с соответствующими модулями концентраторов и контроллеров дискретного ввода с оптронной обвязкой (ДВО).
Для отображения поездной ситуации на станции или части станции, включаемой в систему телесигнализации, в общем случае информация снимается со следующих контрольных ламп табло ЭЦ (типовых проектных решений альбомов МРЦ-9, МРЦ-13, ЭЦ-9):
— плюсового и минусового положения стрелок, входящих в контролируемые АРМ-ДНЦ маршруты;
-занятия приемо-отправочных путей, путевых бесстрелочных участков, стрелочных секций, входящих в контролируемые маршруты (общая контрольная лампа путевого участка);
— замыкания маршрутов (белые лампы);
— открытия выходных и маневровых светофоров, входящих в контролируемые или пересекающие маршруты АРМ-ДНЦ;
— закрытого и открытого состояния входных светофоров;
— включения пригласительных сигналов;
-состояния блок-участков на перегонах;
— срабатывания устройств КГУ и УКСПС;
— контроля установленного направления движения на перегоне;
— отмены поездного и маневрового маршрута с занятого пути (групповая контрольная лампа);
— искусственного размыкания маршрута (групповая — режима и индивидуальные контрольные лампы путевых участков).
Для отображения отказов технического состояния устройств СЦБ, включаемых в систему телесигнализации, информация снимается со следующих контрольных ламп табло ДСП:
— выключения фидеров питания;
— неисправностей входного светофора;
— перегорания ламп выходных и маневровых светофоров (мигание белой лампы);
— контроля работы преобразователей, мигающих сигналов, батареи, перегорания предохранителей;
— срабатывания сигнализатора заземления;
— неисправностей перегонных сигнальных установок;
— закрытия и неисправности переездов.
В зависимости от типа устройств ЭЦ на станции перечень объектов контроля является индивидуальным для каждой станции, но при этом должны быть соблюдены основные принципы построения телесигнализации с применением устройств СПД-ЛП: для отображения поездной ситуации снимается минимально достаточное количество информации в соответствии с требованиями приложения к «Заданию на проектирование»; для отображения технического состояния устройств СЦБ снимается максимальное количество информации с контрольных ламп табло ЭЦ.
На основании списка объектов контроля составляется рабочая таблица объектов контроля, являющаяся исходным материалом для составления схем подключения контроллеров СЦБ. На основании рабочей таблицы составляются электрические схемы подключения контроллеров СЦБ и панелей резисторов, в соответствии с которыми выполняется монтаж аппаратуры.
Контроллеры устанавливаются в помещении ДСП (порядок их установки определяется при выполнении монтажных работ). Для защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током при нарушении изоляции предусмотрено зануление корпусов приборов с помощью нулевых проводников питающей сети.
Методика исследования информационных процессов в телекоммуникационных системах на железнодорожном транспорте Толстошеин Андрей Викторович
Содержание к диссертации
1. Анализ сети передачи данных на железнодорожном транспорте 11
1.1. Структура сети передачи данных ОАО «РЖД» и её отдельных компонентов 11
1.2. Общая характеристика типов трафика СПД ОАО «РЖД» 22
1.3. Постановка задачи обеспечения качества обслуживания с учетом интегрированного характера нагрузки СПД ОАО «РЖД» 29
1.4. Выводы по главе 36
2. Анализ и разработка моделей пакетной нагрузки в сетях передачи данных на железнодорожном транспорте 38
2.1. Самоподобный телетрафик 38
2.2. Классические методы статистического анализа 41
2.3. Фрактальные методы статистического анализа 45
2.4. Эксперимент по сбору трафика в сети передачи данных ОАО «РЖД» 49
2.5. Анализ результатов эксперимента 62
2.6. Моделирование пакетной нагрузки СПД 82
2.7. Выводы по главе 87
3. Моделирование системы обработки пакетной нагрузки 89
3.1.Модели СМО в системах обработки пакетной нагрузки 89
3.2. Технологии реализации и критерии оценки качества обслуживания в системах обработки пакетной нагрузки 96
3.3. Архитектура дифференцированного обслуживания 101
3.4. Алгоритмы контроля и управления трафиком 107
3.5. Модель системы обработки нагрузки на основе архитектуры дифференцированного обслуживания 115
3.6. Выводы по главе 128
4. Оценка качества обслуживания нагрузки в сетях передачи данных на железнодорожном транспорте на примере участка магистрального сегмента спд между октябрьской железной дорогой и ГВЦ 131
4.1. Анализ результатов имитационного моделирования процесса обеспечения качества обслуживания 131
4.2. Выводы по главе 144
Исследования информационных процессов обработки и распространения информации в современных цифровых телекоммуникационных системах свидетельствуют о специфической природе явлений, происходящих в них, не укладывающейся в традиционные рамки известных моделей случайных процессов. Речь идет о свойствах масштабной инвариантности или самоподобия статистических характеристик информационного потока. В последние десятилетия такие свойства были выявлены у так называемого интегрированного сетевого трафика, порождаемого различными приложениями от видеоконференцсвязи и файл-серверных приложений до доступа к Web-ресурсам и др. При этом методы расчета пропускной способности каналов и емкости буферов, основанные на марковских моделях и формулах Эрланга, с успехом используемые при анализе телефонных сетей, не всегда дают правильные результаты для сетей с коммутацией пакетов и приводят к недооценке нагрузки. Рабочие параметры систем с самоподобным трафиком отличаются от параметров, рассчитанных для систем с простейшим потоком на входе.
В условиях необходимости включения в телекоммуникационные системы новых узлов и роста объемов передаваемой информации проблема увеличения эффективности обработки информационного потока путем оптимизации вероятностно-временных характеристик информационных систем становится одной из наиболее приоритетных. Одним из путей является исследование процессов в компьютерных сетях, построение имитационных моделей с учетом реальных характеристик входного потока данных и формирование на базе полученного і математического описания моделей систем обработки и управления сетевым трафиком.
Сеть передачи данных (СПД) является основой телекоммуникационной системы открытого акционерного общества «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД»), обеспечивающей информационный обмен и некоторые виды обработки данных. Это транспортная инфраструктура для передачи трафика приложений общетехнологического назначения, в том числе видео и голоса. Несмотря на то, что основа сети уже сформирована, задача её дальнейшего развития и усиления транспортной функции остается одной из приоритетных проблем железнодорожного комплекса России. При увеличении числа пользователей, вводе в эксплуатацию новых автоматизированных систем и, соответственно, росте объема интегрированного трафика проблема учета его самоподобных свойств может потребовать значительных изменений в структуре существующей телекоммуникационной системы, что делает задачу разработки методики исследования нагрузки в СПД весьма актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка методов исследования, моделирования и обработки пакетной нагрузки СПД ОАО «РЖД».
Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи.
Анализ существующих методов моделирования пакетной нагрузки в телекоммуникационных системах с интегрированным характером трафика.
Разработка статистической модели пакетной нагрузки магистрального сегмента СПД ОАО «РЖД».
Разработка имитационной модели системы обработки пакетной нагрузки магистрального сегмента СПД ОАО «РЖД».
Анализ методов обеспечения качества обслуживания пакетной нагрузки в телекоммуникационных системах, выбор критериев оценки и основных требований к качеству передачи в технологической сети с коммутацией пакетов.
Разработка методики оценки качества обслуживания нагрузки магистрального сегмента СПД ОАО «РЖД».
В работе использованы методы теории самоподобных процессов, теории телетрафика, математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания.
В работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты.
Практическая ценность заключается в использовании рекомендаций по выбору технических параметров телекоммуникационных систем при решении задач их анализа и моделирования, а также для построения системы учета, классификации и мониторинга трафика СПД ОАО «РЖД».
Разработанные модели и методы внедрены в филиале ОАО «РЖД» «Главный вычислительный центр», а также ЗАО «Микротек-Телеком». Представленные методики и рекомендации использованы при решении задач анализа как уже функционирующих, так и находящихся на стадии проектирования сегментов вычислительной сети, что подтверждено соответствующими актами.
Материалы диссертации использованы в учебном процессе на кафедре «Радиотехника и электросвязь» МИИТа.
По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Общая характеристика типов трафика СПД ОАО «РЖД»
Инфраструктура СПД обеспечивает передачу трафика информационных и управляющих систем ОАО «РЖД». Сюда относят системы управления перевозками, дислокации вагонного парка, фирменного транспортного обслуживания, контейнерного парка.
Значительный объём информации проходит через линии СПД в рамках проекта «Телемедицина МПС», предназначенного для повышения і качества принятия решений лечебным и управленческим персоналом и автоматизации профилактических, диагностических, лечебных и управленческих процессов на основе интегрированной базы данных. Основным типом трафика являются медицинские изображения, которые весьма ресурсоемки, их размер может колебаться от 500 кбайт до 50 Мбайт [6].
Система предусматривает также проведение удаленных медицинских консультаций в реальном времени и по электронной почте. При этом между участниками консультаций устанавливается двусторонняя видео- и аудиосвязь, требующая от цифрового канала СПД оптимальной пропускной способности в 1,5 Мбит/с. При этом опыт показывает, что возможно проведение консультаций и при пропускной способности 128 кбит/с.
Одновременно СПД служит транспортной системой для электронной почты, Интранета, корпоративных WEB-порталов и 1Р-телефонии.
Электронная почтовая система (ЭПС), созданная на базе СПД ОАО «РЖД» при участии компании Digital Design, призвана обеспечить единое информационное пространство для обмена электронными почтовыми сообщениями между отраслевыми подразделениями и выполнить роль технологической платформы для организации электронного документооборота. В структуре ЭПС выделяют 17 региональных единиц, имеющих сложную административно и территориально распределенную структуру и включающих в себя около 200 серверов. Количество абонентов приближается к 50000 [7]. Система построена на базе открытых стандартов электронной почты и служб каталога: простой протокол передачи электронной почты (SMTP), почтовый протокол (РОРЗ), протокол интерактивного доступа к электронной почте (IMAP) а также облегчённый протокол доступа к сетевому каталогу (LDAP), что позволило объединить уже используемые системы от различных і производителей.
Постановка задачи обеспечения качества обслуживания с учетом интегрированного характера нагрузки СПД ОАО «РЖД»
Задача обеспечения качества обслуживания в СПД состоит в эффективном обслуживании приложений технологического характера без сокращения при этом их функциональности и производительности. Для решения данной задачи прежде всего требуются методы управления такими параметрами, как полоса пропускания и потеря пакетов. Необходимость использования механизмов обеспечения QoS на уровне магистральных маршрутизаторов обусловлена несовпадением скоростей при переходе в этих точках от LAN, например, ЛВС дороги или ГВЦ, к WAN на магистрали (рис. 1.10). Это несовпадение является главной причиной переполнений буферов и резкого снижения производительности сети.
Различные типы нагрузки требуют различных методов обеспечения качества обслуживания. В [9, 14, 15] проведен анализ требований к параметрам QoS общих типов приложений, результаты которого представлены в табл. 1.2.
Трафик объединенных сетей разделяется на две категории: так называемый эластичный и неэластичный. К эластичному трафику, который может приспосабливаться к изменениям задержки и пропускной способности, относят трафик приложений по передаче данных, использующих протокол передачи данных (FTP), электронную почту, работающую по протоколу SMTP, WEB-доступ по протоколу передачи гипертекстовых файлов (HTTP). К неэластичному же трафику относят, как правило, трафик реального времени и трафик критически важных приложений (приложения систем управления предприятием (ERP), базы данных Oracle). Оба типа трафика представлены в СПД ОАО «РЖД».
1. Каналами с наибольшей загрузкой являются каналы связи ГВЦ с ИВЦ Северо-Кавказской, Свердловской, Московской и Октябрьской железными дорогами.
Кроме того была проанализирована информация о потерях пакетов (рис. 1.12), что дало возможность сделать вывод о её существенном уровне (свыше 1%) в часы наибольшей нагрузки и опасном влиянии на трафик приложений на основании WEB-доступа и передачи файлов (ЭТРАН, телемедйцина, оперативная отчетность). Необходимо отметить, что эти потери практически не связаны с физическим качеством канала, о чем свидетельствует распределение числа ошибок на соответствующем интерфейсе магистрального маршрутизатора, представленное на рис. 1.13, а связаны с некорректной настройкой параметров обработки очередей.
На основании проведенного анализа представленных данных можно сделать вывод, что при существующем уровне трафика и конфигурации в СПД ОАО «РЖД» наблюдается работа с перегрузкой и существенным уровнем потерь пакетов в часы наибольшей нагрузки. В условиях роста объемов передаваемой информации в связи с увеличением числа абонентов сети задача обеспечения качества обслуживания для приложений, чувствительных к ограничению полосы пропускания, задержкам и потере пакетов (голос, видео, FTP, HTTP, ERP приложения, база данных Oracle) требует современных методов решения, учитывающих специфические свойства интегрированного трафика сетей с коммутацией пакетов. Такие методы требуют исследования трафика сети передачи данных с целью выявления его фрактальных свойств и разработки имитационной модели с учетом реальных вероятностных характеристик входящего потока данных.
Эксперимент по сбору трафика в сети передачи данных ОАО «РЖД»
С целью исследования реального трафика и выявления его характерных особенностей был проведен сбор статистики трафика СПД Октябрьской железной дороги. Анализ его результатов позволит подойти к решению проблемы увеличения эффективности обработки нагрузки в СПД ОАО «РЖД».
Сбор статистики проводился с помощью системы управления HP Open View [34] и, в частности, программы Open View Windows Network Node Manager Release В.06.41 (NNM) [35].
Программа HP Open View Network Node Manager является ядром всего семейства HP Open View, обеспечивающим четкое и полное интуитивное графическое представление всей сети. С помощью NNM можно поддерживать необходимую производительность сети, ее доступность и своевременно реагировать на рост сети и изменение ее топологии. NNM позволяет организовать удаленный доступ из произвольной точки сети с помощью консоли как на Windows NT так и на UNIX. Одним из достоинств NNM является возможность его интегрирования с приложениями третьих фирм для управления рабочими станциями, например, с HP Open View Desktop Administrator и Microsoft Systems Management Server, что позволило установить полный контроль над сетью и рабочими станциями.
Опишем архитектуру NNM. Network Node Manager позволяет организовать двухуровневую систему управления и мониторинга. Управляющая станция обеспечивает совместную работу нескольких собирающих станций. Собирающая станция осуществляет мониторинг только той части сети, которая ей выделена администратором, за счет чего может быть значительно снижена нагрузка на сеть. Управляющая станция получает всю информацию от собирающих станций и создает на этой основе целостную картину всей сети. При этом она сама может быть собирающей станцией при соответствующей настройке.
При проведении сбора статистической информации об информационном трафике были использованы возможности браузера DMI і (Desktop Management Interface), обеспечивающего доступ в реальном масштабе времени к удаленным агентам DMI и данным управления.
На графической схеме магистрального сегмента на порту маршрутизатора Октябрьской железной дороги средствами Network Node Manager были установлены правила сбора информации о трафике (Data Collection & Thresholds). В качестве статистических параметров в исследовании рассматривались средний размер пакета и число пакетов, являющиеся одними из основными факторов для определения загрузки сети.
Алгоритмы контроля и управления трафиком
Алгоритм полисинга в отношении трафика, обладающего высокой пачечностью, оказывается неэффективным: чтобы достичь приемлемых показателей потерь, необходимо значительно увеличить пропускную способность канала, снизив при этом утилизацию (коэффициент использования) в канале. В свою очередь шейпинг не допускает отбрасывания пакетов, это делает его привлекательным для управления передачей информации реального времени (голос, видео). С другой стороны он вносит задержки, связанные с буферизацией, что отрицательно сказывается на характеристиках передаваемого трафика.
Алгоритмы полисинга и шейпинга как правило основываются на так называемом принципе «корзины маркеров» (Token Bucket) или его модификациях[86].
Трафик в механизме «корзина маркеров» задается пиковым размером Вс за определенный интервал времени Тс. При этом интенсивность CIR генерирования маркеров определяется следующим образом CIR = BC/TC. (3.1)
Буфер заполняется маркерами с заданной интенсивностью. Если буфер переполнен, но вновь генерируемый маркер теряется. Пакет размера L, поступающий на вход Token Bucket, передается на выход системы только если в буфере имеется L маркетров. При этом содержимое/буфера уменьшается на L. Иначе пакет отбраковывается. Алгоритм работы рассмотренного механизма представлен на рис. 3.7.
Следует отметить одновременное выполнение правой и левой части алгоритма. Так как поступление маркеров происходит с постоянной интенсивностью CIR, можно утверждать, что минимальная интенсивность обработки поступающих пакетов равна интенсивности поступления маркеров.
Алгоритм шейпинга отличается от полисинга только наличием дополнительного буфера для входящего потока пакетов (рис. 3.8).
При этом алгоритме пакеты, которые не соответствуют заданному пиковому значению, не отбраковываются как в режиме полисинга, а буферизуются. Алгоритм схемы шейпинга представлен на рис. 3.9. Буферизация пакетов приводит к сглаживанию профиля трафика на выходе, что позволяет уменьшить потери при его дальнейшей обработке.
Благодаря наличию буфера для пакетов данная схема наряду с уменьшением показателя потерь вносит задержки, что в некоторых случаях ограничивает ее применение для систем обработки информации реального времени. Если буфер заполнен полностью, то вновь прибывающие пакеты сбрасываются до тех пор, пока (в результате обработки накопленных пакетов) в буфере не станет достаточно места для их хранения.
Таким образом, процедуру шейпинга также можно классифицировать как метод статического задания пропускной способности, но несколько более гибкий, чем полисинг, поскольку он позволяет не сразу отбрасывать неконформные пакеты, а буферизует их и обрабатывает при первой возможности.