Разработка телетрафика и планирование сетей

Разработка телетрафика и планирование сетей

2-е издание, исправленное

Иверсен В.Б.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

Разработка телетрафика и планирование сетей/ В.Б. Иверсен - М.: Национальный Открытый
Университет “ИНТУИТ”, 2016

В курсе рассмотрены основные методы расчета нагрузок, потерь, времени ожидания. Особое место
уделяется современным результатам расчета мультисерсвисных и мультислотовых сетей. Приведены
рекомендации ITU по вопросам качества обслуживания. Приводятся основные методы планирования
сетей и измерения реальной нагрузки для контроля и управления информационными сетями.
Курс посвящен расчету пропускной способности сетей, что в настоящее время особенно актуально
ввиду широкого распространения мультимедийных сетей и большого объема трафика в них.
Основная цель планирования сетей состоит в том, чтобы минимизировать затраты при заданном
уровне обслуживания. Решение задач разработки телетрафика позволяет выполнить установленные
требования, определить методы управления фактическим уровнем обслуживания, а также аварийные
действия при перегрузке сети или технических сбоях. Теория телетрафика дает возможность
определить потребности на основе анализа трафика, вычислить емкость системы и ее
количественные характеристики, необходимые для обеспечения заданного класса обслуживания. Она
помогает сравнить различные решения и устранить заведомо неоптимальные уже на раннем этапе,
без создания макетов и прототипов.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2011-2016
(c) Иверсен В.Б., 2011-2016

3

Введение

В начале XXI века человечество вступило в эпоху новой научно-технической
революции - информационной. В XX веке удалось овладеть многими тайнами
превращения вещества и энергии и использовать эти знания для улучшения качества
жизни. Примером может служить создание и широкое распространение атомной
энергетики.

Но наряду с веществом и энергией в жизни человека огромную роль играет
информация - самые разнообразные сведения, сообщения, известия, знания и умения,
которые он получает из окружающего мира. И с каждым веком, десятилетием и годом
роль информации в жизни человека все увеличивается.

Особенно быстро ее роль возросла после изобретения в середине XX века компьютера
- машины для приема, переработки, хранения и выдачи информации. Компьютер
является цифровой машиной, в которой информация представляется в виде чисел, как
правило, в двоичной системе счисления. Любая информация (например, зрительная
или звуковая), за исключением числовой, в компьютере кодируется, т.е. представляется
в виде чисел, а затем перерабатывается в соответствии с заложенной программой.

Появление и широкое распространение компьютеров предоставило человеку
совершенно новые возможности поиска, получения, накопления, передачи и, главное,
обработки информации.

Компьютер был изобретен как средство для скоростных вычислений, своего рода
быстродействующий арифмометр. Однако постепенно к его вычислительным
возможностям добавились функции почти всех предшествовавших средств
коммуникации, превратив его в главное орудие построения современного
информационного общества. Сегодня уже нельзя перечислить все сферы применения
компьютера. В связи с этим наиболее остроумным определением назначения
компьютера можно считать следующее: “Компьютер есть средство решения тех задач,
которые человек в состоянии ему поручить на данном уровне развития техники”.

С появлением компьютеров сформировалась информатика - наука об общих свойствах
и закономерностях информации, методах ее поиска, передачи, хранения, обработки и
использования в различных сферах деятельности человека. Термину информатика
предшествовал термин кибернетика, которым называли исследования, связанные с
использованием информации в системах автоматического управления. Cлово
кибернетика (от греческого kibernetike - искусство управления) - название книги
великого математика XX века Норберта Винера - стало названием новой науки
кибернетики. Но постепенно выяснилось, что кибернетика - это лишь часть более
общей науки информатики. В англоязычных странах ее стали называть
вычислительной наукой (Computer Science, от английского слова сompute - вычислять).
Во франкоязычных странах появился аналогичный термин информатика (informatique).
Этот термин в нашей стране и стал названием науки информатики. Она включает в
себя теоретическую информатику (в том числе математическую логику и теорию
информации), кибернетику, программирование, информационные системы,
вычислительную технику, информатику в природе и обществе, проблемы создания

4

искусственного интеллекта.

Своим появлением человеческое общество обязано общественному труду и
информационным процессам и технологиям, которые существуют столько
тысячелетий, сколько существует человеческое общество.

Процессы получения, хранения, транспортировки (то есть передачи на расстояние),
преобразования и представления информации называют информационными
процессами.

Что же такое информационные технологии? Это система приемов, способов и методов
осуществления информационных процессов. Часто под информационными
технологиями понимают также технические и программные средства реализации
информационных процессов. Потребность человека общаться с окружающими его
людьми, то есть выразить и передать информацию, привела к появлению языка и речи древнейшей информационной технологии. Дальнейшие этапы - это изобретение
книгопечатания, почты, телеграфа, телефона, радио, телевидения, космической связи и,
наконец, компьютеров, Интернета и электронной почты.

Информационные технологии можно делить по принципу “до” появления
компьютеров и “после” их появления, так же как летоисчисление мы делим на два
периода - “до нашей эры” и “нашей эры”. Появление компьютеров - это новая эра
информационных технологий: цифровая.

Однако не следует забывать, что эра компьютеров не могла наступить без
основополагающих открытий в области электричества и прежде всего без работ Л.
Гальвани, А. Вольта, А. Ампера, М. Фарадея, Д. Максвелла, Г. Герца.

Областями применения информационных технологий являются такие услуги, как связь
и развлечения, системы поддержки деятельности в управленческой, производственной,
научной, коммерческой и других сферах, потребительская электроника, например,
аудио- и видеосистемы.

К информационным технологиям относятся средства записи, хранения, обработки,
передачи на расстояния (средства связи - сигнализация, почта, телеграф, телефон,
радио, телевидение) и воспроизведения информации.

Особенность современных информационных технологий заключается в том, что в них
предметом и продуктом труда является информация, а орудиями труда служат средства
вычислительной техники и связи.

Человек живет в пространстве и времени. В пространстве он может перемещаться, в
том числе с помощью самых различных видов транспорта - от телеги до космического
корабля. Но во времени он перемещаться не может - ни в прошлое, ни в будущее.

Информационные технологии дают возможность человеку получать сведения о
событиях не только в данном месте и настоящем времени, но и в других местах и
прошлом времени. Первое - информацию о событиях в других местах - обеспечивают
средства связи. Второе - информацию о событиях в прошлом времени - физические

5

тела - носители информации или устройства памяти (камень, бумага, книга,
грампластинка, фотография, кинопленка, магнитная пленка, дискета, компакт-диск,
карта флэш-памяти и др.), в которые эта информация вносится и сохраняется во
времени, другими словами, запоминается с целью последующего воспроизведения. Что
называется, не сходя с места человек может узнавать о событиях, происходящих в
настоящее время в других местах и происходивших в прошлом.

Областями применения информационных технологий стали практически все сферы
жизни: государственное и муниципальное управление, экономика, хозяйственная
деятельность, промышленность, строительство, транспорт, связь, оборона, научные
исследования, образование, медицина, сфера развлечений и досуга.

Информационные технологии делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые технологии основаны на способе представления информации в виде
какой-либо непрерывной (аналоговой) физической величины, например, напряжения
или силы электрического тока, величина которых (сигнал) является носителем
информации.

Цифровые технологии основаны на дискретном (от лат. discretus - разделенный,
прерывистый) способе представления информации в виде чисел (обычно с
использованием двоичной системы счисления), значение которых является носителем
информации. Для этого в них используются физические величины, способные
принимать только два устойчивых состояния (включено/выключено, есть напряжение /
нет напряжения, намагничено / не намагничено). Это обеспечивает предельную
простоту цифрового сигнала: есть электрический импульс - единица, нет импульса ноль. Простота цифровых сигналов обеспечивает (по сравнению с аналоговыми
сигналами) их несоизмеримо большую защищенность от помех, в том числе при
передаче по каналам связи.

При цифровом представлении информации точность зависит от количества разрядов в
числах. Увеличивая число этих разрядов, можно обеспечить любую наперед заданную
точность вычислений. В этом состоит главное преимущество цифровых
вычислительных устройств по сравнению с аналоговыми. Современные персональные
компьютеры оперируют с 32-разрядными двоичными числами. В ближайшем будущем
предстоит переход на 64-разрядную структуру.

В стремительном развитии радиотехники и вычислительной техники сыграли главную
роль два изобретения - вакуумных электронных ламп в 1905-1907 гг. и
полупроводникового транзистора в 1948 году.

В результате изобретения электронных ламп сформировалась технология приборов
вакуумной электроники, появились заводы по производству таких приборов,
положившие начало развитию электронной промышленности. До 1960-х гг. вакуумная
электроника представляла практически всю электронику.

Изобретение полупроводникового транзистора вызвало бурный рост
микроэлектроники, отказ от использования электронных ламп.

6

И еще два изобретения позволили создать целую серию современных портативных
устройств - жидкокристаллических дисплеев и светочувствительных приборов с
зарядовой связью (ПЗС) в 1970-х гг. В результате созданы цифровые наручные часы,
сотовые телефоны, цифровые фото- и видеокамеры, ноутбуки, карманные компьютеры
и др.

Появление компьютеров - машин для переработки информации - это новая эра
информационных технологий: цифровая, открывающая целый веер новых
возможностей. В связи с их появлением и стремительным внедрением практически во
все стороны нашей жизни и стал применяться термин “информационные технологии”,
хотя они, начиная с освоения языка и речи, существовали с самого начала
формирования человеческого общества. Изобретение персонального компьютера
позволило отдельному пользователю обходиться без помощи программистов за счет
использования заранее разработанных программ.

Стремительное развитие микроэлектроники, изобретение компьютера, создание
персонального компьютера, глобальной сети Интернет, электронной почты, сотовой
мобильной связи и других цифровых информационных технологий вызвало в конце
XX и в начале XXI веков информационную революцию. Если раньше
информационные технологии обслуживали экономику (понимаемую как совокупность
общественных отношений в сфере производства, обмена и распределения продукции),
то сегодня они формируют ее.

За последние десятилетия информационный сектор впервые обеспечил большую часть
создаваемых в развитых странах новых рабочих мест. Информационные отрасли
хозяйства, а также компании, специализировавшиеся на производстве вычислительной
техники и программного обеспечения, развивались наиболее быстрыми темпами. Резко
возрос спрос на программистов, менеджеров, работников сферы образования; темпы
прироста численности этих категорий персонала часто превышали 10 процентов в год.
В этот же период на мировой потребительский рынок хлынули товары, определившие
его современный облик: персональные компьютеры, системы сотовой, спутниковой
связи и т.д.

Совершенствование информационных технологий происходит в несколько раз
быстрее, чем технологий использования энергии. Никогда ранее ни в одной сфере
хозяйства не достигалось такого прогресса. Так, быстродействие персональных
компьютеров возросло более чем в тысячу раз, а объем памяти компьютерного
жесткого диска (винчестера) увеличился в несколько сотен раз. Прогресс в
информационной сфере постоянно ускоряется ввиду безграничности спроса на новые
технологические разработки. Каждая новая компьютерная система не только все
быстрее приходит на смену предшествующей, но и обеспечивает себе успех на рынке в
более короткие сроки. Это подготовило условия для создания всемирной
информационной сети Интернет - самой быстрорастущей отрасли современной
экономики. Бурное развитие компьютерных технологий создает в промышленно
развитых странах мира не только новый технологический уклад, но и новую
социальную реальность. Темпы роста доли в валовом национальном продукте
отраслей, непосредственно связанных с производством и использованием знаний (еще
в 1950-е годы они получили название “knowledge industries”), составляет уже более 50

7

процентов. В США на информационные отрасли приходится более 70 процентов
общей численности занятых в народном хозяйстве. При изучении экономических
процессов в качестве самостоятельного стал выделяться “информационный сектор”,
который в его современном понимании включает в себя передовые отрасли
материального производства, обеспечивающие технологический прогресс, сферу,
предлагающую услуги коммуникации и связи, производство информационных
технологий и программного обеспечения, а также - во все возрастающей мере различные области образования. В наше время основными ресурсами общества
становятся не труд и капитал, а информация и знания.

Информационная революция привела к созданию информационного общества или
общества знаний. Это следующая ступень развития человечества, когда главной
ценностью, определяющей благосостояние как отдельных людей, так и целых
государств, становятся не материальные блага, а своевременная и легкодоступная
информация, точнее - знания, полученные с ее помощью. Элементы нового
информационного общества уже реально существуют сегодня, и базируются они на
компьютерных и телекоммуникационных технологиях.

Философу Френсису Бэкону принадлежит высказывание: “Кто владеет информацией владеет миром”. В наши дни это высказывание становится все более актуальным. Ведь
сегодня объем знаний на планете удваивается каждые пять лет. Информации уже
накоплено так много, что ни один человек не способен удержать ее в голове. В
нынешних условиях “обладать знанием” - значит уметь быстро ориентироваться в
потоке новой информации, легко отыскивая в хранилище знаний необходимые
сведения. При этом важно, чтобы затраты на поиск нужной информации не превышали
экономическую выгоду от ее использования. Справиться с этой задачей под силу
только компьютерам. Компьютерные сети, и в особенности глобальная сеть Интернет,
становятся главным средством хранения и передачи данных. Доступ к компьютерным
технологиям и телекоммуникациям, а также правильное их использование - вот ключ к
успеху в информационном обществе. Те, кто вовремя осознают это и овладеют новыми
технологиями, окажутся в преимущественном положении перед другими
представителями рода человеческого, так как получат большие возможности для
своего профессионального роста и повышения благосостояния. Сегодня при
поступлении на работу предпочтение отдается претендентам, которые умеют
пользоваться компьютером и Интернетом. Прочие же рискуют остаться на обочине им придется либо пополнить армию безработных, либо всю жизнь заниматься тяжелым
физическим трудом.

В наше время информация и знания являются основой экономического и социального
прогресса, важнейшим стратегическим, принципиально новым ресурсом, к которому
неприменимо традиционное понятие исчерпаемости. Запасы угля, нефти и природного
газа на нашей планете ограничены, а процесс поиска, переработки информации и
получения на их основе новых знаний бесконечен, неисчерпаем. Ведь природа
информации и знаний такова, что каждая удовлетворенная потребность в них тут же
порождает множество новых.

Предлагаемое издание учебника “История информационных технологий” охватывает
всю историю их появления и развития: от речи, языка и письменности до самых

8

современных - персонального компьютера, сотовой телефонной связи, глобальной сети
Интернет и электронной почты.

9

Введение в разработку телетрафика

В лекции рассматриваются основные задачи теории телетрафика и области
приложения этой теории.

Теория телетрафика может быть определена как приложение теории вероятностей к
решению проблем планирования, оценки рабочих характеристик, качества работы и
обслуживания телекоммуникационных систем.

Более широко теория телетрафика может рассматриваться как дисциплина
планирования, где инструментальные средства (стохастические процессы, теория
организации очереди и числовое моделирование) заимствованы из дисциплины
“исследование операций”.

Термин телетрафик обозначает все виды трафика передачи данных и
телекоммуникационного трафика. Теория, в первую очередь, будет
проиллюстрирована примерами систем передачи данных и телефонными системами.
Разработанные инструментальные средства, однако, независимы от технологии и
применимы в пределах других областей производства и жизнедеятельности, таких как
дорожный трафик, воздушное движение, производственные и сборочные конвейеры,
распределение товаров, цеха и склады и все виды систем обслуживания. Задача теории
телетрафика может быть сформулирована следующим образом:

обеспечить измерение трафика в хорошо определенных единицах с помощью
математической модели и получить соотношение между уровенем обслуживания и
емкостью системы, чтобы запланировать и оптимизировать инвестиции.

Когда известны будущий трафик и емкость системных элементов, практическая работа
по теории телетрафика состоит в том, чтобы проектировать системы насколько
возможно рентабельно при заранее заданном уровне обслуживания. Кроме того,
решение задач разработки телетрафика позволяет определить методы, для того чтобы
управлять фактическим уровнем обслуживания и выполнить заданные требования, а
также определить аварийные действия, если система перегружена или возникли
технические ошибки. Теория телетрафика позволяет определить потребности
(например, на основе размеров трафика) и вычислить емкость системы и спецификации
количественных характеристик для обеспечения заданного класса обслуживания.

Таким образом, теория позволяет решать на практике ряд краткосрочных и
долгосрочных проблем, возникающих в процессе эксплуатации.

Краткосрочные задачи включают в себя, например, определение числа комплектов в
группе, составляющей пучок в определенном направлении, числа коммутационных
элементов в полях коммутации, числа линеек обслуживания в универсаме,
распределение приоритетов доступа к ресурсам в компьютерной системе.

Долгосрочные задачи включают в себя решения относительно развития и дополнения
сетей передачи данных и телекоммуникационных сетей, закупки кабельного
оборудования, систем передачи, введения нового сервиса и т.д. Приложение теории к

10