Реферат: Расчет сети IP-телефонии: трафик, задержка, маршрутизатор

Некоммерческоеакционерное общество

«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

КафедраТелекоммуникационных систем

Специальность 5В0719 –Радиотехника, электроника и телекоммуникации

КУРСОВАЯ РАБОТА

Дисциплина: IP-телефонияи видеосвязь

Выполнил ДжуматаевЕ.Б. группа МРС-07-3 № зач. книжки 073013

Руководитель:ст.пр.Ожикенов М.А.

Алматы 2011

Содержание

 

Введение

Задание 1

1.1 Расчёт производительности узла доступас учётом структуры нагрузки поступающей от абонентов, пользующихся различнымивидами услуг

1.2 Расчёт числа пакетов от первой группы(телефония)

1.3 Расчёт числа пакетов от второй группы(телефония и интернет)

1.4 Расчёт числа пакетов от третьей группыабонентов (tripleplay)

1.5 Требования к производительностимультисервисного узла доступа

Задание 2

Задание 3

Заключение

Список литературы

Введение

 

Курсовойпроект по дисциплине «IP-телефония и видеосвязь» выполняется студентами,обучающимися по специальности 5В071900«Радиотехника, электроника и телекоммуникации».

Дисциплина «IP-телефония и видеосвязь»изучается студентами на восьмом семестре, по окончании курса сдается экзамен. Вметодическом указании приводятся порядок выполнения, необходимые справочныеданные, методика расчета основных параметров.

Каждыйстудент выполняет курсовой проект по индивидуальным исходным данным. Настоящиеметодические указания (МУ) имеют цель: закрепить и углубить знания, полученныена лекциях; привить студентам практические навыки самостоятельной работы сосправочниками и нормативными документами; выработать у студентов творческоемышление и навыки по выбору рациональных вариантов построения магистральныхсетей; изучить круг проблем, встречающихся при реальном проектировании.

По курсу читаются лекции, выполняется курсоваяработа, лабораторные работы.

Целью курса «IP-телефония и видеосвязь» является изучение основныхметодов построения, расчета современных каналов связи.

Для освоения курса необходимо знать основныеположения некоторых разделов математики, физики, теории электрической связи

Задание 1

 

1.1 Расчёт производительности узла доступас учётом структуры нагрузки поступающей от абонентов, пользующихся различнымивидами услуг

а) сделатьрасчёт числа пакетов от первой группы (телефония);

б) провестирасчёт числа пакетов от второй группы (телефония и интернет);

в) сделатьрасчёт числа пакетов от третьей группы абонентов (triple play);

г) оценить требования к производительностимаршрутизатора, агрегирующего трафик мультисервисной сети доступа NGN;

д) сделать выводы.

Исходные данные для расчета приведены в таблицах1,2,3,4.

 

Таблица 1 – Доля абонентов по группам

Группа абонентов Последняя цифра номера зачетной книжки 3 1

Доля абонентов 1 группы, p1 в%

65 2

Доля абонентов 2 группы, p2 в%

30 3

Доля абонентов 3 группы, p3 в%

5

Таблица 2 – Характеристики нагрузки, создаваемойклиентами различных групп

Последняя цифра номера зачетной книжки fi

3

Вызовов в час, fi

5

Средняя длительность разговора, tiминут

2.5

Объём переданных данных в час наибольшей нагрузки, V2, Мбайт/с

15

Объём переданных данных в час наибольшей нагрузки, V3, Мбайт/с

80 Время просмотра видео в час наибол. нагрузки, Тв, минут 50 Мультисервисный узел доступа обслуживает N, абонентов 2800

Таблица 3 – Выбор кодеков

Предпосл. цифра номера зач.кн 1 Кодеки G.711u G.726-32

Таблица 4 — Параметры кодеков

Кодек

Скорость передачи,

кбит/с

Длительностьдатаграммы,

Мс

Задержка пакетизации,

Мс

Полоса пропускания для двунаправ-ленного соединения, кГц Задержка в джиттербуфере Теоретическая максимальная оценка MOS G.711u 64 20 1 174,4

2 датаграммы,

40 мс

4,4 G.726-32 32 20 1 110.4

2 датаграммы,

40 мс

4,22

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>1.2 Расчёт числа пакетов от первой группы (телефония)

 

Рассчитем число пакетовсоздаваемых пользователями телефонии, использующие выбранные ранее кодеки.Параметры кодеков представлены в таблице 4.

Рассчитаю параметры сетидля двух кодеков соответственно варианту. Длительность дейтаграммы TPDU<sub/>равна 20 мс, согласно рекомендации RFC 1889. При этом в секунду передаётся

(2.1)

  nj= 1/ TPDU,  (кадров в секунду)

/>/>(кадров всекунду)

Размер пакетизированныхданных

(2.2)

  hj = vj·TPDU

где vj – скорость кодирования, байт/с;

hj – размер пакетизированных данных;

TPDU – длительность одной речевой выборки (длительностьпакета).

Рассчитать vj – скорость кодирования, байт/с; hj – размер пакетизированных данных для двухвыбранных согласно варианту кодеков (индекс j соответствует1-первый кодек без сжатия, 2- второй кодек со сжатием).

При использовании кодекаскорость кодирования

vj= RGj/8, (байт/с),

hj = vj · TPDU, (байт).

G.711u

/>

/> байт/сек

G.726-32

/>

/>

Для определения размерапакета необходимо учесть заголовки:

- Ip – 20 байт;

- UDP – 8 байт;

- RTP – 12 байт.

Суммарный размер пакетадля кодека без сжатия

håG1 = hj + Ip + UDP+ RTP=163,84+20+8+12=203,84 байт

Суммарный размер пакетадля кодека со сжатием

håG2= hj + Ip + UDP+ RTP=81,92+20+8+12=121,92 байт.

(2.3)

  Для определения числапакетов, генерируемых первой группой абонентов, необходимо учесть их долю вобщей структуре пользователей, количество вызовов в час наибольшей нагрузки,среднюю длительность разговора.

N1j = n1j· t1·f1·p1·N

N1j=50·150·5·0,65·2800=68250·103

где N1j – число пакетов, генерируемое первой группой пользователей вчас наибольшей нагрузки;

n1j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;

t1 – средняя длительность разговора в секундах для первой группыабонентов;

f1 – число вызовов в час наибольшей нагрузки для первой группыабонентов;

p1 – доля пользователей группы 1 в общей структуре абонентов;

N – общее число пользователей.

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>1.3 Расчёт числа пакетов от второй группы(телефония и интернет)

Рассуждения, приведённыедля первой группы абонентов, в полной мере можно применить и ко второй группедля расчёта числа пакетов, возникающих в результате пользования голосовыми сервисами.Разница будет лишь в индексах.

(2.4)

  N2_тj = n1j· t2· f2·p2· N

N2_тj   =50·150·5·0,3·2800=31500·103

где N2_тj – число пакетов, генерируемое второй группой пользователей вчас наибольшей нагрузки при использовании голосовых сервисов;

n1j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;

t2 – средняя длительность разговора в секундах для второй группыабонентов;

f2 – число вызовов в час наибольшей нагрузки для второй группыабонентов;

p2 – доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов;

N – общее число пользователей.

Для расчёта числапакетов в час наибольшей нагрузки необходимо задаться объёмом переданныхданных. Предположим, что абоненты второй группы относятся к интернет-сёрферам,т.е. в основном просматривают веб-страницы. Средний объём данных, переданных зачас при таком способе подключения, составит около V2необходимо выразить в битах. То есть V2 ≈ V2(Мбайт)·8·1024·1024 бит. Число пакетов, переданных в ЧНН, будет равно

(2.5)

  N2_дj = p2· N ·V2j/hj

N2_дj  =0,3·2800·8388608∙15/163,84∙8=80640000 G711u

N2_дj  =0,3·2800·8388608∙15/81,92∙8=161280000 G726-32

где N2_дj – количество пакетов, генерируемых в часнаибольшей нагрузки абонентами второй группы при использовании сервисовпередачи данных;

p2 – доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов;

h2j<sub/>– размер поля данных пакета;

N – общее число пользователей.

Суммарное число пакетов,генерируемых второй группой пользователей в сеть в час наибольшей нагрузке,будет равно

(2.6)

 

N2j = N2_тj + N2_дj  = 31500·103+80640000=112140000 G711u

N2j = N2_тj + N2_дj  = 31500·103+161280000=192780000 G726-32   />/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>

1.4 Расчёт числа пакетовот третьей группы абонентов (triple play)

Все рассуждения,проведённые относительно первых двух групп, остаются в силе и для третьейгруппы, применительно к сервисам передачи голоса, а именно:

(2.7)

 

N3_тj = n1j· t3_т· f3· p3· N

N3_тj =50·150·5·0,05·2800=5250·103

где N3_т – число пакетов, генерируемое третьей группой пользователейв час наибольшей нагрузки при использовании голосовых сервисов;

n1j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;

t3 – средняя длительность разговора в секундах;

f3 – число вызовов в час наибольшей нагрузки;

p3 – доля пользователей группы 3 в общей структуре абонентов;

N – общее число пользователей.

Предположим, чтоабоненты третьей группы относятся к «активным» пользователям интернета, т.е.,используют не только http, но и ftp, а также прибегают к услугам пиринговыхсетей. Объём переданных и принятых данных данных при таком использованииинтернета составляет до V3. Число пакетов, переданных в ЧНН, будетравно

N3_дj = p3· N · V3/hj

G711u

/>

G723-23

/>/>

Для расчёта числапакетов, генерируемых пользователями видео-услуг, воспользуемся соображениямиотносительно размера пакета, приведёнными в предыдущем пункте. Размер пакета недолжен превосходить 200 (120) байт (вместе с накладными расходами).

(2.9)

  Например, при скоростипередачи v = 2048000 бит/с и размере полезнойнагрузки пакета hj число пакетов, возникающих при трансляцииодного канала, равно:

n3j = v/ hj

/>/> G711u

/> G723-32

Количество пакетов, передаваемыхпо каналами в ЧНН, составит

(2.10)

  N3 i_Вj = p3· N· n3 i · t3_В

N3 i_Вj = 0,05·2800·50·150=1050000

где N3j_В –число пакетов, генерируемое третьей группой пользователей в час наибольшейнагрузки при использовании видео-сервисов сервисов;

n3j – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом прииспользовании просмотре видео, сжатого по стандарту MPEG2;

t3_В – среднее время просмотра каналов в ЧНН, сек;

p3 – доля пользователей группы 3 в общей структуре абонентов;

N – общее число пользователей.

Суммарное число пакетов,генерируемых третьей группой пользователей в сеть в час наибольшей нагрузке,будет равно

(2.11)

 

N3j = N3j_т + N3j_д + N3j_В        

N3j =5250·103+71,68·106+1050000=77980·103 G711u

N3j =5250·103+143,4·106+1050000=149700·103 G723-32

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>1.5 Требования кпроизводительности мультисервисного узла доступа

Мультисервисный узел доступадолжен обслуживать трафик от всех трёх групп пользователей. Кроме того, именноузел доступа должен обеспечить поддержку качества обслуживания путемприоритезации трафика, которая должна осуществляться независимо от используемойтехнологии транспортной сети доступа.

Суммарное число пакетов,которое должен обработать мультисервисный узел доступа, будет равно: 

NjΣj = N1j + N2j + N3j= n1j· t1·f1·p1·N + (n1j· t2· f2·p2· N + p2· N · V2/hj) +

(2.12)

  + (n1j· t3·f3·p3· N + p3·N ·V3/hj + p3· N · n3j · t3_В)

Учитывая, что:

t1 = t2 = t3 = t<sub/>– средняядлительность разговора в секундах;

f3 = f2 = f1 = f – число вызовов в ЧНН;

получим

(2.13)

  NjΣj = n1j · t<sub/>· f ·N ·(p1 + p2 + p3) + N/hj · (p2·V2 + p3·V3) + p3· N · n3j · t3В

Учитывая, что p1 + p2 + p3 = 1,получим

(2.14)

 

NΣj = N · (n1j<sub/>· t<sub/>· f + ( p2·V2 + p3·V3)/hj)+ p3· N · n3j<sub/>· t3_В      

NΣj = 258370000 G711u

NΣj = 410730000 G726-32

Среднее число пакетов всекунду рассчитывается для двух выбранных кодеков и равно

(2.15)

 

NΣ_секj = NΣj/3600

NΣ_секj =258370000/3600=71769,4 G711u

NΣ_секj =410730000/3600=114092 G726-32

Данные показателипозволяют оценить требования к производительности маршрутизатора, агрегирующеготрафик мультисервисной сети доступа NGN. АнализПриложения А показывает, что выбор такого маршрутизатора осуществляется извесьма ограниченного количества вариантов.

Анализируется как икакие группы сети больше всего загружают систему для рассчитываемых длинпакетов. Для этого формируется таблица 5 и строится диаграмма рисунок 1.

Таблица 5 — количество передаваемыхпакетов в сек для трех групп пользователей

Количество передаваемых пакетов в сек G.711u G.726-32

1 группа (p1),%

68250·103

68250·103

2 группа (p2) ,%

112140∙103

192780∙103

3 группа (p3) ,%

77980·103

149700∙103

/>

Рисунок 1 – Долипередаваемых пакетов тремя группами

Вывод озагрузке системы пользователями трех групп.

Из графикавидно, что наибольший передаваемый трафик идет на 2-ую группу при кодеке G.711u и G.726-32 от общего числапользователей. Пользователи обычной телефонии, при ее преобладающем количестве,загружают систему меньше всех.

/>/>/>/>/>/>/>Задание 2

а) рассчитатьсреднее время задержки пакета в сети доступа

б) рассчитатьинтенсивность обслуживания пакета при норме задержки /> = 5 мс для двух типов кодеков.

в) построить зависимостьмаксимальной величины для средней длительности обслуживания одного пакета отсреднего времени задержки в сети доступа.

г) определитькоэффициент использования системы для случаев с различными кодеками.

д) построить зависимостипри помощи прикладной программы MathCad.

ж) сделать выводы по задачам 1 и 2.

Требования к полосепропускания определяются гарантиями качества обслуживания, предоставляемымиоператором пользователю. Параметры QoS описаныв рекомендации ITU Y.1541. В частности, задержка распространения из конца в конец припередачи речи не должна превышать 100 мс, а вероятность превышения задержкипорога в 50 мс не должна превосходить 0,001, т.е.

/>, мс

p{tp> 50 мс} ≤ 0.001

Задержка из конца в конецскладывается из следующих составляющих:

(2.16)

 

tp = tпакет +tад + tcore + tад + tбуф

где tp – время передачи пакета из конца в конец;

tпакет – время пакетизации (зависит от типа трафика и кодека);

tад – время задержки при транспортировке в сети доступа;

tcore – время задержки при распространении втранзитной сети;

tбуф – время задержки в приёмном буфере.

Допустим, что задержкасети доступа не должна превышать 5 мс. Время обработки заголовка IP-пакета близко к постоянному.Распределениеинтервалов между поступлениями пакетов соответствует экспоненциальному закону.Поэтому для описания процесса, происходящего на агрегирующем маршрутизаторе,можно воспользоваться />моделью M/G/1.

Для данной моделиизвестна формула, определяющая среднее время вызова в системе (формула Полячека– Хинчина) /9/.

(2.17)

  />/>

где />j – средняя длительность обслуживанияодного пакета;

/> – квадрат коэффициента вариации, />/>0,2;

/>j<sub/>– параметр потока, из первой задачи Nå_секj ;

/>j – среднее время задержки пакета в сети доступа, /> = 0,005 с.

Из формулы (2.17)следует зависимость максимальной величины для средней длительности обслуживанияодного пакета от среднего времени задержки в сети доступа.

(2.18)

  />

Построим данныезависимости при помощи прикладной программы MathCad.

/>

Рисунок 2 — Зависимость максимальнойвеличины для средней длительности обслуживания одного пакета от среднеговремени задержки в сети доступа для кодека G.711u

 

/>

Рисунок 3 — Зависимость максимальнойвеличины для средней длительности обслуживания одного пакета от среднеговремени задержки в сети доступа для кодека G.726-32

Интенсивностьобслуживания связана со средним временем задержки пакета в сети доступа обратнопропорционально:

(2.19)

  />

/>

Время tj должно выбираться как минимальное из двухвозможных значений. Первое значение – величина, полученная из последнейформулы. Второе значение – та величина, которая определяется из условияограничения загрузки системы – r. Обычноэта величина не должна превышать 0,5.

При среднем значениизадержки в сети доступа 5 мс коэффициент использования равен:

(2.20)

  />

/>

Рассчитать коэффициентиспользования для случаев с различными кодеками.

При таком высокомиспользовании малейшие флуктуации параметров могут привести к нестабильнойработе системы. Определим параметры системы при её использовании на 50%.Средняя длительность обслуживания будет равна

(2.21)

  />

Определим интенсивностьобслуживания при этом

(2.22)

  />

Задержка в сети доступарассчитывается по формуле:

(2.23)

  />, (секунд)

Рассчитывать вероятностьs(t)=/>приизвестных λ и τ нецелесообразно, т.к. в Y.1541 вероятностьP{t>50мс} < 0.001 определена для передачи из конца в конец.

При известном среднемразмере пакета hjопределить требуемую полосу пропускания

jj = βj×hj(бит/с)

jj =71890×163,84×8=94227661бит/с=89,863 Мбит/с

jj =114200×81,92×8=74842112 бит/с=71,375Мбит/с

Сравним полученныерезультаты (рисунок 4.)

/>

Рисунок 4 – Отображения результатоврасчета: требуемая полоса пропускания

Из графика видно, чтодля передачи одной и той же информации, то есть одного объема при использованииуслуги Triple Play, необходима различная полоса пропускания. Предположим, что вструктурном составе абонентов отсутствуют группы пользователей использующиевидео, т.е. p2н » p2+p2. При этом в вышеприведённом анализеследует опустить расчёт числа пакетов, возникающих при использовании сервисоввысокоскоростной передачи данных и видеоуслуг.

Число генерирующихпакетов, возникающих в ЧНН, будет равно

/>

где Ntel – число пакетов телефонии, генерируемоевсеми пользователямив час наибольшей нагрузки;

Nint – число пакетов интернета, генерируемоевторой группой пользователей в час наибольшей нагрузки

p2н – доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов

nj – число пакетов, генерируемых в секундуодним абонентом при использовании кодека G.711u;

t<sub/>– средняя длительность разговора всекундах;

f – число вызовов в час наибольшейнагрузки;

N – общее число пользователей.

Число пакетов в секунду:

/>

Среднее время обслуживания одного пакета при норме задержки 5мс:

/>

Коэффициентиспользования:

/>

При использованиисистемы на 50%:

/>

/>

Требуемая пропускнаяспособность:

φj = βj×hj,(бит/с)

φj = 103700/>163,84/>8=135900000 бит/с=129,625 Мбит/с

φj = 148900/>81,92/>8=97580000 бит/с=93,063 Мбит/с

Сравнимполученные результаты (рисунок 5)

/>

Рисунок 5 – Отображения результатоврасчета: требуемая полоса пропускания

Из графика видно, чтодля передачи информации одного объема, необходима различная полоса пропускания,в данном случае при использовании кодека G.711u с длиной пакета 203,84 байт необходима большая полосапропускания, чем при использовании кодека G.726-32 с длиной пакета 121,92 байт.

Построеннаямодель рассчитывает параметры сети, а именно время и интенсивность обслуживанияодного ip пакета определенной длины, от времени задержки в сети доступа.

Задание 3

 

а) Провести расчет математической модели эффектатуннелирования в MPLS, применив MATHCAD или другую программу;

б) Рассчитать времени пребывания пакета в туннеле из N узлов V1(N);

в) рассчитать время пребывания пакета в LSP- пути без туннеляV2(N);

г) на основе результатов расчета сравнить различныеварианты и сделать выводы о возможности организации туннеля между первым узломи узлом N.

Исходные данные для расчета приведены в таблице 6.

Таблица 6- Данные к расчету

Первая буква фамилии Д число маршрутиза-торов N 25 Посл.цифра № зач.кн 3

ρ1

0,70

ρ2

0,80

ρ3

0,90 Предпоследняя цифра номера зач. Книжки 1

/>, с-1

800 m 1,03

Выполнение задания 3

Эффект от организации туннеля, равен разности V1 иV2. При этих предположениях предлагается следующий алгоритм:

Шаг 1. Полагается N = М.

Шаг 2. Для n = 1,2, ..., N определяются величины размерапачки в Kn по формуле

(3.2)

 

/>.

Шаг 3. Определяется время V2(N) пребывания пакетав LSP — пути сети MPLS из N узлов (маршрутизаторов) без организации LSР — туннеля при наличии ограниченной очереди к узлу n длиной Kn поформуле

(3.3)

  />.

абонент телефониямаршрутизатор трафик

Шаг 4. Определяется время V1(N) пребывания пакетав LSР — туннеле из N узлов по формуле (1)

/>/>

Рисунок 6 – Зависимостьвремени пребывания пакета в LSР — туннеле от количества узлов при r=0,7

Шаг 5. Сравниваются величины V1(N) и V2(N).При положительной разнице V1(N) и V2(N) организациятуннеля между первым узлом и узлом N не представляется целесообразной. В противномслучае принимается решение организовать туннель между первым узлом и узлом n, иработа алгоритма завершается.

/>/>

Рисунок 7 — Зависимостьвремени пребывания пакета в LSР — туннеле от количества узлов при при r=0,8

 

/>/>

Рисунок 8 — Зависимостьвремени пребывания пакета в LSР — туннеле от количества узлов при r=0,9

Выигрыш во времени оторганизации туннеля равен разности V1 и V2 Нагрузка наLSP колеблется в диапазоне от р=0,7 до р=0,9. Результаты расчетов представленына рисунках 6-8.

Наэтих рисунках видно, что при р=0,7 и р=0,80 организация туннеля не требуется, апри р=0,9 эффективна организация туннеля при N≥14.

Заключение

Проделав даннуюкурсовую работу, и построив графики зависимостей различных величин, можносделать следующие выводы:

— объемпередаваемой информации обратно пропорционален полосе пропускания канала;

— числопередаваемых кадров прямо пропорционально объему передаваемой информации;

  — скоростьобслуживания кадров обратно пропорциональна общей длине кадра;

  — степеньиспользования канала связи обратно пропорциональна скорости обслуживания;степень использования канала связи прямо пропорциональна скорости поступлениякадров; степень использования канала связи прямо пропорциональна объемупередаваемой информации.

— среднеечисло кадров, одновременно находящихся в системе обратно пропорциональноскорости обслуживания; среднее число кадров, одновременно находящихся в системепрямо пропорционально объему передаваемой информации.

 

Cписок литературы

 

1. Будников В.Ю., Пономарев Б.А. Технологииобеспечения качества обслуживания в мультисервисных сетях / Вестник связи.-2000.- №9.

2. Варакин Л. Телекоммуникационный феномен России/ Вестник связи International.- 1999.- №4.

5. Варламова Е. IP-телефония в России/Connect!Мир связи.- 1999.- №9.

3 Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи.-т.1.- М.: Радио

и связь, 1998.

4 Гольдштейн Б.С., Ехриель И.М., Рерле Р.Д.Интеллектуальные сети.- М.: Радио и связь, 2000.

5. Кузнецов А.Е., ПинчукА. В., Суховицкий А.Л. Построение сетейIP-телефонии