Рассчет пропускной способности глобальной сети - IP-телефония
Гилберт Хелд Гилберт Хелд - лектор и автор книг по информационным системам. Среди его последних работ - "Ethernet Networks: Design, Implementation, Operation, Management" и "Protecting LAN Resources: A Comprehensive Guide to Securing, Protecting and Rebuilding a Network" (обе эти книги вышли в издательстве John Wiley &; Sons). С ним можно связаться через Internet по адресу: \n Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script .
В случае с вычислительными сетями известный постулат "время - деньги" звучит так: "скорость влетает в копеечку". Как рассчитать необходимую скорость канала связи, исходя из параметров локальной сети?
1. Сдвиг по фазе.
Информационная структура, где две локальные сети соединены между собой каналом связи глобальной сети, больше похожа на систему очередей другого типа, именуемого одноканальной двухфазной системой. На Рис. 1 показана схема соединения двух локальных сетей при помощи мостов или маршрутизаторов. Обратите внимание, что для передачи кадра данных от одной локальной сети к другой он должен быть обслужен двумя устройствами (в данном случае двумя мостами или двумя маршрутизаторами), поэтому такая схема может быть описана в рамках одноканальной многофазной модели. (Описание потока данных от одной локальной сети к другой в рамках одноканальной многофазной модели является математически корректным, однако так ли уж необходимо работать именно в рамках такой модели? Ответить на этот вопрос помогает анализ потока данных от одной сети к другой.)
Наиболее узкое место информационного потока между двумя удаленными друг от друга локальными сетями - канал связи глобальной сети, пропускная способность которого обычно существенно меньше скорости работы локальной сети.
Представим себе, что рабочая станция сети передает кадр данных в сеть Ethernet. Передаваемый кадр вначале "путешествует" из сегмента сети к мосту или маршрутизатору с той скоростью, на которой работает сеть (4 или 16 Мбит/с). Попав в маршрутизатор или мост, кадр копируется из сети в буфер устройства, преобразуется в другой формат, а затем (при наличии свободного канала) передается через глобальную сеть со скоростью, гораздо меньшей, чем та, с которой кадр передавался из локальной сети на устройство маршрутизации. Если непосредственно перед текущим кадром на сетевое устройство попал другой кадр, то нашему кадру придется подождать (в буфере), до тех пор пока предыдущий кадр не будет обслужен. Время обслуживания текущего кадра зависит от того, сколько кадров пришло на сетевое устройство непосредственно перед текущим: чем больше таких кадров, тем дольше время ожидания.
Рассмотрим теперь, как выполняется обслуживание кадра на противоположном конце канала глобальной сети. Поступая из глобальной сети на мост/маршрутизатор, кадр преобразуется к формату локальной сети и передается в локальную сеть. Поскольку скорость передачи информации по глобальной сети всегда ниже скоростей передачи кадров в локальной, никаких очередей при таком обслуживании не возникает, стало быть основной вклад во время обслуживания кадра на втором мосте/маршрутизаторе вносит само устройство. И это лишь малая доля от времени задержки кадров на первом мосте/маршрутизаторе. Отсюда следует, что для описания двухточечных линий связи между локальными сетями можно спокойно использовать одноканальную однофазную модель.
2. Применение тории массового обслуживания.
Используя математический аппарат теории массового обслуживания, можно вычислить зависимость времени передачи кадров от скорости работы глобальной сети без подключения к реальным каналам. Такие вычисления позволяют ответить на множество вопросов относительно производительности сети; благодаря им становится понятным, каково среднее время задержки кадров на мосте/маршрутизаторе, как может повлиять на величину этих задержек рост скорости работы канала связи глобальной сети и при каких условиях рост скорости обмена информацией по каналам глобальной сети не приводит к существенному увеличению производительности моста/маршрутизатора.
Пример расчета:
Число станций - 500.
Число транзакций (кадров) от одной станции - 700
Режим работы круглосуточный (24 часа). В час наибольшей нагрузки передается 20% от всего числа передаваемых кадров.
Размер кадра 80 байт.
Итого в час через HUB проходит:
При Гауссовском распределении N = 700 * 500 * 0.2 = 70000 кадров.
При нормальном распределении N = 700 * 500 / 24 = 14583,3 кадра.
Скорость поступления кадров получается делением полученных чисел на 3600:
При Гауссовском распределении 70000 / 3600 = 19,44 кадров в секунду.
При нормальном распределении 14583,3 / 3600 = 4,05 кадров в секунду.
Для подсчета скорости обслуживания следует задаться определенным значением скорости работы глобальной сети. При этом совершенно неважно, насколько близка к оптимальной взятая в качестве начального приближения скорость обмена информацией по глобальной сети, поскольку все вычисления легко повторить для другого значения скорости. Для начала примем скорость обмена информацией равной 64000 бит/с. Тогда время, необходимое для передачи одного кадра длиной 80 байт, составит 0,01 секунды.
Ожидаемое время обслуживания равно 0,01 секунды, откуда получаем, что средняя скорость обслуживания (величина, обратная к ожидаемому времени обслуживания) составляет 100 кадров в секунду.
Из расчетов видно, что скорость обслуживания выше чем скорость поступления кадров, то есть данный канал справляется приходящим трафиком.
Степень использования технических возможностей обслуживающего устройства (P) в одноканальной однофазной системе можно определить, поделив среднюю скорость поступления заказов на среднюю скорость обслуживания.
При Гауссовском распределении Р = 19,44 / 100 = 0,1944 = 19,44%.
При нормальном распределении Р = 4,05 / 100 = 0,0405 = 4,05%.
Зная степень использования обслуживающего устройства, довольно легко определить вероятность отсутствия заказов (обслуживаемых кадров) в данный момент времени. Эта вероятность, обозначенная нами как P0, равна единице минус степень использования канала (P0 = 1 - P).
При Гауссовском распределении Р0 = 1 - 0,1944 = 0,8066 = 80,66%.
При нормальном распределении Р0 = 1 - 0,0405 = 0,9595 = 95,95%.
Получив некоторые сведения относительно степени использования обслуживающего устройства, выясним теперь, каким образом кадры скапливаются в очередях и как влияют связанные с этими очередями задержки на процесс передачи кадров от одной локальной сети к другой.
В теории массового обслуживания среднее число объектов (unit) в системе обычно обозначается L, а среднее число объектов в очереди - Lq. Для одноканальной однофазной системы, L равняется средней скорости поступления заказов, деленной на разность между средней скоростью обслуживания и скоростью поступления заказов.
При Гауссовском распределении L = 19,44 / (100 - 19,44) = 0,2414.
При нормальном распределении L = 4,05 / (100 - 4,05) = 0,0422.
Таким образом, в буфере маршрутизатора и линии связи в любой момент находится чуть больше 4 - 24% одного кадра. Чтобы определить среднее число объектов в очереди (Lq), перемножим степень использования обслуживающего устройства (P) на число объектов в системе (L).
При Гауссовском распределении Lq = 0,2414 * 19,44 = 0,0469.
При нормальном распределении Lq = 0,0422 * 4,05 = 0,00171.
Теория массового обслуживания позволяет рассчитать среднее время нахождения объекта в системе (W) и среднее время ожидания в очереди (Wq).
Среднее время нахождения в системе представляет собой величину, обратную разнице между скоростью обслуживания и скоростью поступления заказов. Подставив числа из нашего примера, найдем, что в данном случае каждый кадр проводит в системе в среднем:
При Гауссовском распределении W = 1 / (100 - 19,44) = 0,0124с.
При нормальном распределении W = 1 / (100 - 4,05) = 0,0104с.
Очереди в системе можно охарактеризовать еще одним параметром, а именно временем ожидания. В нашем случае значение Wq равно произведению времени ожидания в системе на степень использования обслуживающего устройства. Таким образом, для нашей сети:
При Гауссовском распределении Wq = 0,0124 * 0,1944 = 0,00241с.
При нормальном распределении Wq = 0,0104 * 0,0405 = 0,00042с.
Проведем аналогичные расчеты для каналов различной пропускной способности для Гауссовского распределения.
Таблица №1 - Варьирование пропускной способности глобальной сети.
Скорость линии (бит/с) |
19200 |
32000 |
64000 |
128000 |
256000 |
512000 | |
Время передачи кадра, с |
0,033333 |
0,02 |
0,01 |
0,005 |
0,0025 |
0,00125 | |
Средняя скорость обслуживания |
30 |
50 |
100 |
200 |
400 |
800 | |
Степень использования канала |
P |
0,648148 |
0,3889 |
0,1944 |
0,097222 |
0,0486 |
0,02431 |
Вероятность отсутствия кадров в системе |
P0 = 1 - P |
0,351852 |
0,6111 |
0,8056 |
0,902778 |
0,9514 |
0,97569 |
Среднее число объектов (всего) |
L |
1,842105 |
0,6364 |
0,2414 |
0,107692 |
0,0511 |
0,02491 |
Среднее число объектов в очередях |
Lq = L * P |
1,193957 |
0,2475 |
0,0469 |
0,01047 |
0,0025 |
0,00061 |
Полное время ожидания |
W |
0,094737 |
0,0327 |
0,0124 |
0,005538 |
0,0026 |
0,00128 |
Время ожидания в очереди |
Wq = W * P |
0,061404 |
0,0127 |
0,0024 |
0,000538 |
0,0001 |
3,1E-05 |
Закономерное уменьшение выигрыша во времени ожидания по мере роста пропускной способности особенно хорошо видно при сравнении производительности глобальной сети для каналов с разной пропускной способностью. При увеличении пропускной способности канала связи выше четвертого уровня (128000 бит/с) вероятность отсутствия кадров в системе практически не растет.
Используя данный метод мы определили, что при Гауссовском распределении нагрузки на канал его скорость должна составлять 128 кбит/с. Время ожидания в очереди при этом составит 0,000538 сек, а время передачи по каналу связи в одну сторону - 0,005 сек. Степень использования канала 90%, а вероятность отсутствия кадров в системе - 10%. При этом в буфере обмена маршрутизатора в любой момент времени находится 0,5 % одного кадра.
Применительно к нашему варианту таблица варьирования пропускной способности глобальной сети выглядит следующим образом.
Занятие линии одним абонентом, часы |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | |
Cкорость кодирования голоса, бит/с |
19800 |
19800 |
19800 |
19800 |
19800 |
19800 |
19800 | |
Трафик от одного абонента в сутки, бит |
71280000 |
71280000 |
71280000 |
71280000 |
71280000 |
71280000 |
71280000 | |
Средняя длина кадра, бит |
1200 |
1200 |
1200 |
1200 |
1200 |
1200 |
1200 | |
Число кадров от одного абонента |
59400 |
59400 |
59400 |
59400 |
59400 |
59400 |
59400 | |
Число абонентов |
18 |
18 |
18 |
18 |
18 |
18 |
18 | |
Общее число кадров |
1069200 |
1069200 |
1069200 |
1069200 |
1069200 |
1069200 |
1069200 | |
Процент от общего числа звонков |
50% |
50% |
50% |
50% |
50% |
50% |
50% | |
Скорость поступления кадров |
148,5 |
148,5 |
148,5 |
148,5 |
148,5 |
148,5 |
148,5 | |
Скорость линии (бит/с) |
2048000 |
4096000 |
8192000 |
16384000 |
32768000 |
65536000 |
131072000 | |
Время передачи кадра, с |
0,0046875 |
0,0023438 |
0,0011719 |
0,0005859 |
0,000293 |
0,0001465 |
7,324E-05 | |
Средняя скорость обслуживания |
213,33333 |
426,66667 |
853,33333 |
1706,6667 |
3413,3333 |
6826,6667 |
13653,333 | |
Степень использования канала |
P |
0,6960938 |
0,3480469 |
0,1740234 |
0,0870117 |
0,0435059 |
0,0217529 |
0,0108765 |
Вероятность отсутствия кадров в системе |
P0 = 1 - P |
0,3039063 |
0,6519531 |
0,8259766 |
0,9129883 |
0,9564941 |
0,9782471 |
0,9891235 |
Среднее число объектов (всего) |
L |
2,2904884 |
0,5338526 |
0,2106881 |
0,0953043 |
0,0454847 |
0,0222366 |
0,0109961 |
Среднее число объектов в очередях |
Lq = L * P |
1,5943947 |
0,1858057 |
0,0366647 |
0,0082926 |
0,0019789 |
0,0004837 |
0,0001196 |
Полное время ожидания |
W |
0,0154242 |
0,003595 |
0,0014188 |
0,0006418 |
0,0003063 |
0,0001497 |
7,405E-05 |
Время ожидания в очереди |
Wq = W * P |
0,0107367 |
0,0012512 |
0,0002469 |
5,584E-05 |
1,333E-05 |
3,257E-06 |
8,054E-07 |
Полное время ожидания и время ожидания в очереди.
Степень использования канала P вероятность отсутствия кадров в системе P0.
Используя данный метод мы определили, что при Гауссовском распределении нагрузки на канал его скорость должна составлять 2048 кбит/с. Время ожидания в очереди при этом составит 0,0107367 сек, а время передачи по каналу связи в одну сторону - 0,0046875 сек. Степень использования канала 70%, а вероятность отсутствия кадров в системе - 30%.
3. Технологическая часть
Похожие статьи
-
Требования к полосе пропускания - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Требования к полосе пропускания определяются гарантиями качества обслуживания, предоставляемыми оператором пользователю. Параметры QoS описаны в...
-
Системы управления оборудованием локальных вычислительных и глобальных сетей передачи данных Назначение: Предназначена для эффективного мониторинга...
-
Все рассуждения, проведенные относительно первых двух групп, остаются в силе и для третьей группы, применительно к сервисам передачи голоса, а именно:...
-
Классификация шлюзов IP-телефонии - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Классификация шлюзов по области применения: шлюзы IP-телефонии по масштабности применения можно разделить на два основных типа: шлюзы, ориентированные на...
-
Общие сведения о продукте - Глобальные сети АТМ
Корпорации, правительственные органы, университеты и другие организации все чаще обращаются к провайдерам за предоставлением услуг АТМ. Система "Магеллан...
-
Анализ путей решения поставленной задачи Постановка задачи следующая: необходимо в несколько раз повысить пропускную способность магистральной ВОЛС...
-
Архитектура системы на базе стандарта Н.323 - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Рекомендация Н.323 разработана Сектором стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) и содержит описания терминальных...
-
Оценка оптических несущих. Целью данного пункта является определения промежуточных частот и расстояния между соседними каналами. Рассмотрим подробно 3-е...
-
Виртуальные частные сети - IP-телефония
(VPN-Virtual Private Network) Виртуальные закрытые сети обеспечивают безопасное соединение между различными локальными сетями через Internet при...
-
Рассуждения, приведенные для первой группы абонентов, в полной мере можно применить и ко второй группе для расчета числа пакетов, возникающих в...
-
Влияние сети на показатели качества IP-телефонии - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Задержка создает неудобство при ведении диалога, приводит к перекрытию разговоров и возникновению эхо. Эхо возникает в случае, когда отраженный речевой...
-
Метод временного мультиплексирования (TDM) Суть TDM: процесс передачи разбивается на ряд временных циклов, каждый из которых в свою очередь разбивается...
-
Для проведения измерений при разных значениях числа потоков были произведены эксперименты на 10-ти вариантах сетевой топологии, содержащих от 2 до 20...
-
Традиционная методология: системы массового обслуживания Традиционной методологией применяемой для изучения процессов происходящих в территориально...
-
Формат ячейки АТМ - Глобальные сети АТМ
Биты 8 7 6 5 4 3 2 1 Управление потоком (GFC) Идентификатор виртуального пути(VPI) Идентификатор виртуального пути (продолжение) Идентификатор...
-
Принцип работы - Глобальные сети АТМ
АТМ - режим асинхронной передачи. Это сетевая технология, в которой используют маленькие пакеты фиксированной длины, называемые ячейками. Технология АТМ...
-
Системы управления оборудованием локальных вычислительных и глобальных сетей передачи данных Назначение: Предназначена для эффективного мониторинга...
-
Обоснование постановки задачи - IP-телефония и традиционные телефонные сети
В данной дипломной работе рассматриваются системы связи, и в частности показатели качества IP-телефония. В последние годы бурный рост числа систем...
-
Обзор литературы по теме дипломной работы - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Интернет-телефония. Компьютер пресс, 1999г №10 с.50. Начнем с того, что попробуем рассеять некоторые распространенные заблуждения относительно самой...
-
Еще одна технология обеспечения QoS разработана рабочей группой IETF (приложение) по дифференцированному обслуживанию (Differentiated Services,...
-
Принципы пакетной передачи речи - IP-телефония и традиционные телефонные сети
"Классические" телефонные сети основаны на технологии коммутации каналов, которая для каждого телефонного разговора требует выделенного физического...
-
Показатели качества IP-телефонии - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Традиционные телефонные сети коммутируют электрические сигналы с гарантированной полосой пропускания, достаточной для передачи сигналов голосового...
-
Перспективы развития Интернет-телефонии - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Существует мнение, что концепция передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера зародилась в Университете штата Иллинойс (США). В 1993 г....
-
Беспроводные сети - IP-телефония
Технология передачи информации между абонентами, находящимися друг от друга на значительных расстояниях, постепенно, но уверенно, переходит с рельс...
-
При выборе сетевой магистрали, необходимо принимать во внимание следующие моменты: 1) соответствие стандартам -- совместная работу и взаимозаменяемость...
-
Таким образом, даже в случае традиционных проводных сетей эффективность протокола ARTCP выше по сравнению с TCP уже при числе потоков равном 5 и более....
-
Разделить обслуживаемую территорию на макро-зоны можно двумя способами: статистическим, основанным на измерении статистических параметров распространения...
-
Данный механизм разработан в докторской диссертации В. К. Тумей [22] и в него входит не только спецификация транспортного протокола, но и целая система...
-
Обеспечение качества IP-телефонии на базе MPLS - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Конкурентом DiffServ на роль протокола для обеспечения QoS является другой проект IETF под названием "Многопротокольная коммутация меток" (Multiprotocol...
-
Введение - IP-телефония и традиционные телефонные сети
В технической литературе используются три основных термина для обозначения технологии передачи речи по сетям с пакетной коммутацией на базе протокола IP...
-
После нескольких лет тестирования организация Internet Assigned Numbers Authority приступила к развертыванию IPv6 (версии 6 протокола Internet Protocol)...
-
Одним из средств обеспечения качества IP-телефонии и особенно Интернет-телефонии является использование протокола резервирования ресурсов (Resource...
-
Локальные сети (LAN), Технологии, применяемые в локальных сетях (LAN) - IP-телефония
Системная интеграция В современных условиях развития бизнеса для любого предприятия или организации, которые успешно работают на рынке или находятся в...
-
Технологии, применяемые в территориально-распределенных сетях (WAN), Маршрутизация - IP-телефония
Маршрутизация Технологии удаленного доступа к сети Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки. Маршрутизация Назначение: Обеспечение взаимодействия между...
-
Заключение - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Телефонная сеть была создана таким образом, чтобы гарантировать высокое качество услуги даже при больших нагрузках IP-телефония, напротив, не гарантирует...
-
Общие принципы построения сети Интернет и протокола IP - IP-телефония и традиционные телефонные сети
О технологии и сети Интернет и используемом в ней протоколе IP имеется огромное количество информации, как в самом Интернете, так и в печатных изданиях,...
-
Характеристики шлюзов IP-телефонии - IP-телефония и традиционные телефонные сети
В общем случае IP-телефония опирается на две основных операции: преобразование двунаправленной аналоговой речи в цифровую форму внутри...
-
ISDN - Цифровая сеть с интеграцией услуг (Integrated Services Digital Network) - IP-телефония
Назначение: Технология ISDN изначально разрабатывалась для использования в сетях международной телефонной связи. ISDN объединяет голосовые и цифровые...
-
Расчет числа пакетов от первой группы (телефония) - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Для расчета числа пакетов создаваемых пользователями телефонии, необходимо задаться типом используемого кодека. На сегодняшний день в сетях IP-телефонии...
-
Общие принципы сигнализации в сетях IP-телефонии - IP-телефония и традиционные телефонные сети
Для обеспечения широкомасштабного внедрения IP-телефонии одним из самых важных факторов является обеспечение совместимости систем разных фирм. Достижение...
Рассчет пропускной способности глобальной сети - IP-телефония