（通信与信息系统专业论文）umts核心网分组域网络规划中网络实体配置的计算.pdf

堕凹工曼接! 坐圆坌绁丝囹堡鲤划虫圆盗塞签醒堂盟上上筮 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了史中特别加以标注和致谢中所岁列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电人学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 中请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 当! 亟耋! 日期： 塑6 坚国! 堕 关于论文使用授权的浣叫 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电人学。学校有权保留并 向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的令部或部分内容，可以允许采_ l = j 影e 、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位沦文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位沦文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 木人签名 导师签名旒p f l 日期：型坠! 里! ! 坠 日期： 妒弓弓矿 3 坐丛工曼楚! 垒圆盐组撼囫塑趣划尘圆堡送住酲置鲍让簋 u - m t s 核心网分组域网络规划中网络实体配置的计算 摘要 自上世纪九十年代以来，以语音为主的移动通信市场一直以不可思 议的速度在飞速发展，在未来的儿年中，仍然将保持其高速增长率。但 是，全球化数据传输需求持续增长，早就发生在固定网络中互联网接入 需求的快速增长速率在移动网络同样也会发生。所有的预测都预计，采 用移动通信系统进行传输的数据量会有大幅度上升。虽然目前瓦联网接 入这样的需求已经存在，但是这些方面的增长却被第二代移动通信系统 中笨重的设备、过低的数据传输速率和过于昂贵的成本所阻碍。呼之欲 出的第三代移动通信系统将会战胜这些障碍。 本文讨论的就是第三代移动通信系统标准之一的u m t s ( w c d m a ) 系统中用来承担数据业务的分组域核心网的网络规划。 本文以3 g p p 规范及协议为基础，参考了大量相关文献，在介绍网 络规划理论的基础上，重点探讨了网络规划时核心网分组域各实体及各 接口的容量计算方法。 在网络规划理论方面，介绍了什么是网络规划、网络规划的目的、 网络规划的输入参数、规划步骤、话务理论、开销，为后面的具体规划 奠定了基础。 在物理实体方面，按照各自的功能，主要讨论三种物理实体：负责 分组交换和移动处理的s g s nf s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ) 、连接i s p 接 入点的g g s nf g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 、和其它网络相连的b g ( b o r d e rg a t e w a y ) 。 在接口方面，介绍了i u p s 接口、g n 接口、g i 接口和g p 接口。本论 文首先以3 g p p 规范为基础，给出了各接口所采用的协议，并且按照协 议结构总结出开销，计算了开销因子。 在话务方而，主要区分t c p 话务、u d p 话务和其它额外话务。额外 话务中还具体探讨了信令话务、s g s n 改变话务、d n s 话务和拦截话务 等。根据各种话务的不同特点，定义了话务排队模型，以排队模型为基 础，参考爱尔兰c 公式，进行了大量的计算，并以表格的形式列出在论 文中。 最后，还设计规划了一个网络实例。按照设计参数要求，又以大量 的假设和统计为基础，进行了具体计算，设计出一个网络。并在最后进 行了交义检查以验证结果的可行性。 4 堕丛工墨趑：坠圉筮缉丝圆整丝划虫回垫塞住醒置鲍丑盟 通过此方面的研究，笔者不仅对网络规划有了更具体深入的认识， 同时对第三代移动通信网络也有了更深刻的了解。为以后的工作奠定了 坚实的基础。 关键词：网络规划、开销、话务模型、t c p 话务、u d p 话务、额外话务 5 _ 丛工墨弦! 璺圆筮组丝囤终塑剑生圃鳌塞住醒丝数爿：鲤 d i m e n s i o n i n gt h ei n t e r f a c e si n p sd o m a i n o fu m t sc o r en e t w o r k a b s t r a c t s i n c e19 9 0 s t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nm a r k e ti nw h i c hs p e e c hi st h e a b s o l u t e l yd o m i n a n tr o l eh a se x p e r i e n c e da nu n i m a g i n a b l es t e e pr i s e a n di n t h en e a rf u t u r e ，i tw i l lc o n t i n u et ok e e ps t r o n gg r o w t hr a t e s b u t ，i nv i e wo f t h ec o n t i n u o u si n c r e a s ei ng l o b a ld e m a n df o rd a t at r a n s f e r , r e c o r dg r o w t hr a t e s f o ri n t e m e t1 i n k sa n da c c e s s ，t o g e t h e rw i t ht h ew i s ht om a k et h e s es e r v i c e s t h a th a v el o n ge x i s t e di nt h ef i x e dn e t w o r ks e c t o ra l s oa v a i l a b l ei nt h em o b i l e s e c t o r ，a l lf o r e c a s t sa r ep r e d i c t i n gas t e e pr i s ei nt h ev o l u m eo f d a t at r a n s f e r s u s i n gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a l t h o u g ht h ed e m a n da l r e a d ye x i s t s n o w ，e x p a n s i o n i nt h e s es e c t o r sw a sg r e a t l yh i n d e r e db yc u m b e r s o m e e q u i p m e n t v e r yl o wd a t at r a n s f e rr a t e sa n do v e r l ye x p e n s i v e c o s t sf o rt h e m o b i l et r a n s f e ro fd a t a a l lo ft h e s eb a r r i e r sw i l lb eo v e r c o m eb yt h e3 g s y s t e m s i n p r e s e n tp a p e r ，n e t w o r kp l a n n i n g o fu m t s ( u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，o n eo f3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ) p a c k e t s w i t c h e dd o m a i no fc o r en e t w o r ki sa n a l y z e d d u r i n gt h ec o u r s eo fr e s e a r c h ，i n a d d i t i o nt ot h es p e c i f i c a t i o na n d p r o t o c o ld e f i n e db y3 g p p ，an u m b e ro fc o r r e l a t i v e1 i t e r a t u r e s a r er e f e r r e d b a s e do nt h et h e o r yo fn e t w o r kp l a n n i n g ，m a n yf o r m u l a eo ft h ee n t i t yi np s d o m a i na n di n t e r f a c ed i m e n s i o n i n ga r ea d d r e s s e da n da n a l y z e d w i t ht h er e s p e c tt ot h et h e o r yo fn e t w o r kp l a n n i n g ，t h ec o n c e p ta n dt h e o b j e c t i v eo fn e t w o r kp l a n n i n g ，i n p u tp a r a m e t e r s ，p l a n n i n gp r o c e s s ，t r a f f i c t h e o r ya n do v e r h e a d sa r ea l ld e b a t e da st h eb a s i so f l a t t e rp l a n n i n g f o rt h ee n t i t y ，a c c o r d i n gt ot h ed i f i e r e n c ei nf u n c t i o n ，t h r e ek i n d so f p h y s i c a le n t i t y ，i n c l u d i n gs g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ) w h i c h i s 6 堕丛工墨送：坠咧坌型丝咧垒塑型主匾堡塞盐堡笪盟i 上簋 r e s d o n s i b l ef o rt h ep a c k e ts w i t c h i n ga n d t h em o b i l i t yh a n d l i n g ，g g s n r g a t e w a vg p r ss u p p o r tn o d e ) c o n n e c t i n gi s pa c c e s sp o i n t ，b g ( b o r d e r g a t e w a y ) t h eg a t e w a y t oo t h e rn e t w o r k sa r ei n t r o d u c e d f o rt h ei n t e r f a c e ，i u p s ，g n ，g ia n dg pa r ea d d r e s s e d f i r s t l y ，b a s e do nt h e 3 g p ps 口e c i f l c a t i o n ，t h ep r o t o c o l su s e db yt h e s ei n t e r f a c e sa r el i s t e d d u et o t h ep r o t o c o ls t r u c t u r e ，t h eo v e r h e a d sa r es u m m e du pa n dt h eo v e r h e a df a c t o r s a r ec a l c u l a t e d t h et r a f f i ci sd i v i d e di n t ot c pt r a f f i c ，u d pt r a f f i ca n do t h e ra d d i t i o n a l ， t r a m c t h ea d d i t i o n a lt r a f f i cc o n s i s t so fs i g n a l i n gt r a f f i c ，s g s nc h a n g et r a f f i c ， d n st r a f f i ca n di n t e r c e p t i o nt r a f f i c a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c o t d i f f e r e n tt r a f f i c ，s e v e r a lq u e u i n gm o d e l sa r ea d o p t e d b a s e do nt h eq u e u i n g m o d e l s ，w i t hr e f e r e n c et ot h ee r l a n gcf o r m u l a ，ag r e a td e a lc a l c u l a t i o n i s e x e c u t e da n dl i s t e di nt h ep a p e r f i n a l l y ，ap r a c t i c a le x a m p l ei sg i v e n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n ta n d d e s i g np a r a m e t e r ，d e t a i l e dc a l c u l a t i o ni se x e c u t e db a s e do n t h ef o r m u l a eg i v e n b e f o r e c r o s s c h e c ki sa l s oe x e c u t e dt ov e i l f yt h er e s u l to fc a l c u l a t i o n “ t h r o u g ht h er e s e a r c hw o r k so ft h e s er e l a t e da s p e c t s ，i n o to n l yh a v e 、 d e e p e ru n d e r s t a n d i n go fn e t w o r kp l a n n i n g ，b u ta l s og e tp r o f o u n dk n o w l e d g e ： a b o u t3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ag o o df o u n d a t i o ni se s t a b l i s h e df o r f u t u r ew o r k k e yw o r d s ：n e t w o r kp l a n n i n g ，o v e r h e a d ，t r a f f i cm o d e l s ，t c pt r a f f i c ， u d pt r a f f i c ，a d d i t i o n a lt r a f f i c 7 堕丛工曼篮! 垒幽丛坐缝幽塑塑剑主幽鳌塞住醒丝鳆盐簋 绪论 随着中国3 g 的脚步卢日益临近，3 g 网络的规划问题成为运营商要面对的一个 巨大的挑战，i 司时这也是3 g 启动之初以及在随后的建设过程中，永远要面对的挑 战。 一般来说，3 g 网络规划包括了无线网络规划，核心网络规划和传输网络规划3 部分。核心网还分为电路交换域及分组交换域。在这罩我们只讨论分组域。进行分 组域规划时，很重要的一个环节就是网络实体配置的计算。 在进行具体的讨论前，先对网络规划的基础知识进行一下介绍。后面再列出具 体的计算，并举例说明。因此本文分为五部分：什么是网络规划、网络舰划的目 的、规划的基础、u m t s 各接口容量的规划、举例。前两个部分简单介绍了网络规 划的含义和目的；规划基础部分对规划时需考虑的输入参数、规划的步骤、话务理 论、路由、协议的开销进行了介绍；u m t s 各接口容量的规划按照各输入参数和协 议开销给出了计算公式：最后给出了一个网络案例，并按此网络对各网络实体的 所需容量进行了计算。 堕丛工墨弦! 坠回金组蜮圆丝丝划虫圉终塞住配置趁主l 簋 第一章什么是网络规划 如果一个运营商希望高效地利用网络资源和成本就需要进行网络规划。 网络规划包括： 设计网络结构( 比如需要多少个网络节点、他们的容量、最优位置等) 现有网络的升级和扩容 增加新业务或网络元素 坐丛工墨接! 坠幽筮丝垫幽鳖型剑! j l ! ! 趔鳖塞住醒量的i 簋 第二章网络规划的目的 网络规划的目的是按照用户的需要，当然也就是网络运营商的需要最好的匹配 网络。 其中有五个方面： 最小的投资、安装和维护成本 合适的网络结构可以显著地节省成本。比如每一个网络节点互连就不是最节 省成本的方案。 增加话务负荷时网络稳定性的保证 网络能够满足话务需要的保证，也必须能支持增加的话务负荷。 利于网络管理 一个进行了适宜规划的网络比胡乱发展的网络更容易管理。尤其是经过精心 验证的网络。 增加网络有效性 网络有效性是指网络能够按它保证的业务级别满足所有的话务需要的时间占 总时间的比例。比如在发生故障时，如果网络不能实现话务需要，此时网络 就不具有效性，收入就会减少。赔偿甚至会带来更多的花费。采用适宜的规 划，就可以增加网络有效性。 业务级别业务质量的保证。 每一种业务，都需要和用户协商并确定保证的业务级别。保证这些协商好的 业务级别可能是网络运营商的主要目的。 这些因素之间可能互相矛盾。因此必须综合考虑各方而因素。 1 2 堕凹工s 楚! 坠回公绁缝豳鳖趔划虫豳终塞盐醒萱曲立l 璺 第三章规划基础 规划基础包括五个方面的内容。首先要考虑输入参数，输入参数是规划一个网 络的基础。只有对输入参数进行了一定的了解，_ 才有可能进ij 二进一步规划；接着介 绍一下规划时的具体步骤；然后是讨论话务理论，话务理论的f 1 的是获得数学规 则、公式或表格。通过这些数学公式来描述用户行为以及冈此产生的话务从而进行 后面的计算；再然后简单介绍路由，选择不同的路由方式对整个的网络结构、对话 务矩阵、对网络实体的容量都有不同的影响；最后是协议的开销，各个不同的接 口，采用不i j 的协议模型。而这些协议的每一层都会产生不同的开销，这些丌销规 划时也必须考虑在内。 1输入参数 进行网络规划时，需要考虑四个方面的因素。 用户行为 网络规划的主要前提就是网络内的用户行为和话务流。除此之外，网元容量和 购买设备的预算也是基本要求。比如，商业用户和个人用户的行为是不同的。商业 用户会比个人用户有更多的话务需求。而青少年可能会因为m m s 产生更多的上行 话务。因此，埘于用户的平均话务需求进行估计是非常有用的。 怏照 如果对现有网络进行规划，必须在规划步骤 始前对现有网络做一个快照以更 好地进行了解。 路山 网络规划丌始前，必须先建立路由机制，凶为这对容量影响很大。例如，当前 有一个s t m 一1 的连接，如果采用负荷分担路由( l s r ) ，就必须在这个连接上保留 一些带宽。这样，传话务时就不能l 与用所有的连接。 保护 1 3 u 丛工墨丝! 坠回盆塑丝圆堑塑划虫圆鳌塞住配重鲍i i ：丝 网络中的保护，和路由一样，也需要预留网络资源。预留资源的比例根据采用 的保护机制变化，而且必须提前定义。这时，必须估计网络故障的规则，来确定是 否真的需要保护。 2 规划步骤 由于规划进程的复杂性，整个的流程分为几个小步骤，分丌解决。 a 话务的规划。话务规划基于参加者的统计行为。这是由时间、特殊事件、人 口密度等因素决定的。除了这些因素，话务的发生在微观上来说是随机的。 由于对随机行为的预测很困难，因此需要做假设。这些假设二i 三要基于民间调 查和经验模型。甚至还和当前的经济趋势相关。 b 网络拓朴结构的规划。执行拓朴规划时，要密切研究节点位置和连接的逻 辑和物理结构。话务规划时话务的计算是拓朴规划的焦点。节点的位置由结 构决定。话务负荷也决定了需要的设备容量，它们必须能够处理所有的话 务。拓朴规划还需定义逻辑路径，物理路径不在考虑之中。逻辑路径有三种 可能性：完全网状网、部分网状网、星形网。 c 话务矩阵的改进。话务矩阵的格式可以通过定义逻辑路径改进。如果逻辑路 径通过拓朴结构预先定义，可以创建一个更精确的话务矩阵。 d 定容量。使用改进的话务矩阵，可以来确定容量。山于有语音和数据这些 不同种类的话务类型，因此必须进行分类。也就是把带相同或类似参数的话 务分成组。这些组通过网络共同路由。分类必须按不同的话务类型( 语音和 数据) 进行。对于分组交换的核心网规划，只需要考虑数据这种话务类型。 e 具体化和实现。具体化就是把规划结果转化为设备。采用不同厂家的设备， 设备容量不同，结果也自然不同。 3 话务理论 话务理论的功能一方面是表现话务特点，另一方面是显示有哪些参数影响这些 特点。例如有一个参数是用户行为( 一个用户什么时候使用电话业务，使用多长时 间) 。话务理论的目的是获得数学规则、公式或表格。通过这些数学公式可以描述 用户行为以及因此产生的话务。这样我们才可以计算出提供一定质量的话务所需的 基本结构。 1 4 坐丛工墨丝：坠圆垃绁堡圆鳖型划虫圈堑塞丝酲堇曲i l ：篡 3 1 统计用户行为 用户行为有以下几个特一i ： 用户连接数量和空闲时间成比例。 呼叫的发起是随机的。 话务小是恒定的，它随以下因素变化： i ) 时间i i ) 周日类别t i t ) 季节t v ) 特定事件( 电视节目中的电话投票等) 32 术语 占用时间t 呼叫建立和释放之间的时间叫做占用时间。 测，丁是只能基于平均占用时间( t m ) 。 z t i t 。= 生 n 每个用广- 使用电话的时间无法预 式f 3 1j 话务量y 中继组占用时间的总和叫话务量( y ) 。y = ? t i 。话务量的单位是秒。为表示 这是话务量，它可以使用单位爱尔兰秒( e r ls ) 。话务量足一个测量值。 承载话务y 承载话务y 是观察时间t 内的话务量，y = y ，t 。 观察时间通常是1 小时( 3 6 0 0 秒) 。 为表示它是一个话务参数，y 使用单位爱尔兰，因为话务理论是a k e f l a n g 给 出的。 爱尔兰 l 爱尔兰表示： 1 个3 6 0 0 秒时k 的呼叫，或 1 5 坐丛工墨攮：坠囹金塑筮囝终趣划虫圜鳖塞住醒置的i 簋 2 个1 8 0 0 秒时长的呼u 这两个例子并不现实，因为一个连接并不定正好持续一个小时。 测量结果发现占用时间以及两个电话之间的间隔时间呈泊松分布。网络规划的 f 1 的就是计算在可以接受的阻塞率情况下所需的时隙数。 忙时 拥有最高话务量的一个小时称为忙时。电信网按忙时规划。 忙时呼叫尝试( b h c a l 规划一个网络需要了解呼叫次数( 呼叫尝试) 。我们按照忙时规划网络，这样我 们就需要知道忙时发生的呼叫尝试次数。 出现的话务a 出现的话务可以由一个简单的公式来计算，a ：b h c a t 。t 。通过这个值和 阻塞概率，我们就可以计算承载话务所需的时隙数了。 阻塞概率b 阻塞概率是指由于所有中继全忙而不能建立的呼叫的百分比。这些话务被拒 绝。网络运营商必须综合考虑阻塞概率和安装的时隙数。 阻塞概率是一个中继数和话务的函数。它可以通过爱尔兰b 公式计算得出。爱 尔兰b 公式只在呼叫到达时间呈泊松分布时有效。 爱尔兰b 公式： a ” 口：! l ：, , n b 。l o 。c b k 。i n ，g 。p f r s o 。b ，a 。b i l ，i 。t y 尘“懒刚抽蜊。 留d 1 6 式f 3 2 ，【7 】 型丛工曼弦：坠囝垃塑筮幽垒塑型虫圆堡塞住酲董鲍让簋 固3 - 1 阻塞概丰【7 通常运营商会定义一个最大阻塞概率( 1 3 ) 。 33 话务类型 对于数据业务，话务由不同的应用产生，按照特点可以广义的分为流话务或弹 性话务。 流话务由音频或视频应用产牛。 弹性话务由数字文档的传送产生( 网页、文件、m p 3 等1 。使用传输协议，比 如t c p 。 这两类话务的共同应用被称为分化、j k 务。这意味着这砦类型的话务必须共享可 用的带宽。但分化业务有不同的业务质量要求。因此，对于网络提供者来说提供有 用的端到端保证是困难的。 实现和集成分化业务的最大困难如下： 流话务的分组在州络排队时有较高的优先级以缩小延迟，而弹性话务动态地共 享剩余带宽。 3 3 1 流话务 流话务山音频和视频应用产生。需要有保证的速率传送。摹本话务参数足时长 和速率。 1 7 坐凹工曼拯! 坠魁公坐熊幽鳖塑型主凼堑窭住鲤美鲍量i ：簋 由于流话务用于实时应用，此类话务比弹性话务优先级高。这样，流话务的传 输就需要较小的延迟。对于视频流，为了获得没有抖动的图像，延迟变化( 抖动) 也很重要。 因此流话务的业务质量要求比弹性话务要高： 低分组丢失率 低分组传送延迟和抖动 有保证的速率 开环 和闭环相比，开环没有网络的反馈。没有反馈，就可以有更高的传输速率，以 传输实时应用比如音频。但是q o s 就不能和把传输安全性放在更高优先级的闭环一 样高。对于开环，传输中的低延迟和延迟抖动更重要。 3 3 2 弹性话务 弹性话务对应于数字文档的传送( 网页、文件、m p 3 文件等) ，采用传输协议 如t c p 适配他们的速率。这样的文档传送组成了当前大部分的互联网话务。弹性话 务可以用两个性能标准来简单描述： 时问，传送文档所需时间取决于链路的可用带宽，可取所谓的“平均传输时 间”。 对每个弹性话务定义一个最小传输速率。这意味着每一个话务流有一个最小 吞吐量。 弹性话务的简单模型是假设话务按着泊松过程到达。从测量结果来看，大多数 话务流很小，于是大多数话务就被包含在很长的流中。 对于弹性话务的业务质量要求： 低分组丢失率 最小吞吐量 闭环 为了实现e m a i l 、w w w 这些应用的q o s 要求，采用利用t c p 的弹性话务进行基 于密门的流量控制和丢失分组重传机制。这意味着资源速率由系统决定，如分组的 些凹工曼弦：坠圆坌纽撼圆釜塑划生幽堡塞佳酲筐的让簋 延迟会使网络资源减小发送新的分组的速率，没有得到确认的分组由网络资源来重 传。换句话说就是从系统到资源有反馈机制。 3 33 流和弹性话务的处理 有三种不同的方法来处理流和弹性话务 分离处理 综合处理 混合处理 分离处理： 分离处理是指流话务和弹性话务分开处理。这意味着对于流话务和弹性话务资 源分开。换句话说，流话务和弹性话务不会互相影响。链路速率的一部分专门应用 于流话务，另一部分专门应用于弹性话务。 综合处理： 和分离处理相反的是综合处理。这意味着两种话务类型共享所有的网络资源。 这种方法的基本原理是能实现最高的利用率。因为弹性诵务可以利用流话务剩下的 带宽资源。 混合处理： 混合处理是分离处理和综合处理的结合。混合处理h q 链路带宽分成两部分。 部分只能由弹性话务使用，由它们的保证速率构成。 另一部分链路带宽由流话务来使用。 在混合处理时，流话务部分的带宽实际不使用时可以由弹性话务来使用。 这样有两个优点： 有效的链路利用事( 和综合处理相同) 保护机制，当一类呼叫产生较大的负倚时进行保护。 第一种方法，第三代网络很少使用。采用混合处理的原因是非常好的链路利用 率，而它的缺点是计算需要的带宽很困难。 1 9 堕凹工s 毯：坠幽坌塑垫圆终塑型主豳鳖塞签酲萱的盐篡 34 数据业务的排队模型 因为第三代网络的第一步不支持实时话务，因此只考虑弹性话务。 有两个相关的性能参数： 文件的传送时问。主要考虑特定大小文件的系统平均逗留时间( 系统平均逗 留时间= 业务时间+ 等待时间1 呼叫阻塞率 只考虑弹性话务的情况下，需要传送的数据就是文件、网页等。这时候的问题 是不知道i 二传、一i - 载的开始时问和文件长度。因此，我们需要一个模型来描述文件 的到达和时长。例如定义泊松分布模型，到达时间和文件长度一也即传输时间一为 负指数分布函数。这个模型是后面描述的排队模型的基础。因为有两种类型的话务 u d p 和t c p ，所以不能只用一种排队模型。这两种类型话务的业务时间有不同的分 步。因为t c p 有反馈环( 确认) 和重传机制，而u d p 没有反馈所以更快但不如 t c p 安全。另一个原因是分组大小不同。一般来说，通过t c p 的分组( 5 5 2 1 5 0 0 字 节) 比通过u d p 的分组( 3 0 0 字节) 要大。 业务时间是分组从一个点传送到另一个点的传送时间，不包括等待时间。 排队模型： t c p 话务：m g r p s 模型。( m ：文件到达时问为马尔可夫过程；g ：业务 时问为常规分布；r ：输出链路的数量；p s ：排队规则为处理器共享，即所 有的排队用户同时处理1 u d p 话务：m m 1 模型。f 第二个m ：业务时问为负指数分布；排队规则省 略表示f c f s 即先到先服务1 混合话务：采用分组长度的加权平均值。 3 4 1 排队模型背景 下面的排队模型基于一个简单的原理。大多数情况下会采用压缩来节省资源。 压缩不止有优点，也有必须考虑的缺点。压缩后不能再同时传输所有进来的分组。 一部分分组必须等待一定的时问直到输出链路有了空闲。 分组等待传输的时间有多长对容量来说很重要。为了保证一定的业务质量，必 须在允许的最大延迟时间内传输分组。 型丛工墨燕! 坚圆垃丝垫圈终规划圭圆终塞住酲量的立l 簋 i 9 1 j 排队模型描写在小同的方面和话务等级下，必须怎样考虑等待概率。不同 的排队模型都基于和时间无关的马尔可夫过程。 排队系统一般用肯德尔符号来表示，如m g r p s 。在肯德尔符号中术语a b s d 有下列意义。 a 一文件到达时间的概率分布。宁母m 表示一个马尔呵夫过程。通常用来 描述文件到达速率的泊松过程是马尔可夫过程的一种特殊情况。 b 一业务时间的概率分布。业务时间一般和文件大小线性相关。字母g 代表 常规分布，m 代表负指数分布。 s 是服务器的数量。这里指输出链路的数量。 d 是排队规则。p s 代表处理器芪享。这意味着大文件不会l l i d , 文件延迟太 多( 所有的排队用户同时处理) 。如果省略排队规则( 结果是m g r 模 型) ，就会采用f c f s ( 先到先服务) 规则。 计算所需带宽时，采用下面描述的排队模型的公式为基础。这就表示，计算 t c p 和u d p 话务的公式采用所用排队模型的原理。这样排队模型就用公式描述在计 算t c p 和u d p 话务时如何考虑等待概率和逗留时间。 34 2m s i r p s 排队模型 如果每个连接的最高速率有限制( 有限的接入速率) ，m g r p s 排队模型会更 实际，这时r = c r p 。k ，也就是所需链路速率和资源峰值速率的比。r 代表处理器共 享排队的服务器数量。 长度为f 的业务的逗留时间t ( x ) 见下面方程式。公式q j 的参数e 2 代表e r l a n gc 公式。 m ，= ( + 志卜 利用率因子? - - ? e x m e a n 。? e 为弹性话务呼叫的平均到达速率，x i t l e a i l 为平 均业务时间( x m e a n = l m e a n c ) 。 参数业务时问x = l r p e a k 。r p e a k 代表有限制的接入速率，是文件长度。 爱尔兰c 公式 2 1 坐凹工墨燕! 坠圆坌丝丝圆终崖划主圆鳖塞住酲董盥主l 筵 历姐：( r , r x p ) 2 而为 其中 k = 学纷。萎，学 实际计算时，v i 和v 2 不需要计算。计算很复杂，建议使用【具。 3 4 3 m m 1 排队模型 式f 3 4 ， 7 】 假设连接按泊松过程发生，每秒? d 个呼叫，每个呼叫所产生的分组平均长度 为m e a n 。 有了这些假设，计算可以按照m m 1 排队模型执行。逗留时间可以按下面方程 式来计算。 r ：塑竺 ( 1 一p ) 利用率因子? = ? e x m e a n 。? e 为弹性活务呼叫的平均到达速率，x m e a n 为平 均业务时间( x l t i c a n m e a n c ) 。 通过逗留时间可以获得所需容量c 。 c ：l i n e + 尢1 m 一 丁 对于网络计算，端到端的网络延迟为每个接口( 包括路由器接口) 迟( 业务时间+ 等待时间) 之和。每个链路用一个f i f o 排队来模拟， 迟。 3 4 4 话务计算 式f 3 6j 7 】 的总平均延 产生分组延 每种应用采用不同的话务类型。例如，应用f t p 采用t c p ，应用w a p 采用 u d p 。使用w a p 下载使用t c p 的e m a i l 时，就发生了混合话务。这意味着t c p 和 u d p 话务同时在一个链路f = 传输。 这样，话务类型可以分为三种： 坐凹工曼丝! 尘囹坌丝垫圈堡盥划虫囝鳖錾住酲董曲i ! ：簋 t c p u d p 混合话务( u d p 和t c p l l c p 如果一个应用采用t c p ，交互到达时删按泊松分布，业务时间按常规分布。 t c p 分组通过i p l g 输。因为用户是移动的，核心删彳i 能利用i p 地址进行路由选择。 这样，就需要g p r s 隧道协议( g t p ) 。这个协议的缺点是它不支持t c p 。这就表示 t c p 分纰必须通过u d p 传输。现在u d p 就有了t c p 的特点( 交互到达时间呈泊松分 布，业务时间常规分布) 。 因此后面的计算只考虑u d p 报头。 u d p 采用u d p 的应用，交互到达时间呈泊松分布，、【p 务时间按负指数分市。唯的 u d p 应用就是小数据量的w a p 。这样，所有的信息就可以在一个分组里传送。因此 用m m 1 排队模型来计算带宽。 混合话务 混合应用意味着t c p 和u d p 话务出现在一个链路上，并日没有保护( 比如通过 低层传输机制例如a t m 提供带宽保证的p v c ) ，前面给出的公式对所有的混合话务 不再有效。 混合话务的原理足取t c p 和u d p 分组长度的加权平均值。混合话务的计算后 面介绍。 4 路由 路由选择是指在刚络r r | 信息从源到目的地走哪条路径。路山选择在o s i 参考模 型的第= 层f 网络层1 。 为了确定路由，有一些要求： 业务质量 网络中有一些业务质量要求。比如端到端闭锁或最大延迟。这时就需要限制最 大跳数，因为每一跳都会j 。：生延迟。 能力限制 型醚工曼弦：叠圆坌丝埴圆络塑划主型终塞韭酲置的i ：簋 当前网络架构是路由选择的另个关键点。不可能在一个链路上分配比下层可 用资源更多的话务。 吞吐量 每一个节点由于处理器能力或接口的原因，都有一个最人吞吐量。计算时必须 考虑。 稳定性 必须决定使用哪种路由算法以达到好的网络稳定性。所有的链路利用率都儿乎 相同时，网络稳定性最好。 4 1路由算法 最小成本路由 最低负荷路由 强制路由 保护路由 最小成木路由 每个节点和链路都会产牛成本。因此，不同的路由会有不同的成本。选择总成 本最小的路由来到达目的地，就称为最小成本路由。采用最小成本路由，最便宜的 路由就是首选路由。也就意味着，最便宜的路由承担最高的话务部署。这样如果这 个链路出故障，风险就会很高。因此只考虑成本是没有用的。保护机制大多数情况 下会比成本更重要。 最低负荷路由 最低负荷路由的输入就是链路利用率。最低利用率或负荷的链路就是首选路 由。但是，达到一个平均分配的链路利用率并不一定总是有用。比如，对于一个环 球的网络，延迟因素就会更重要。因为分组所允许的延迟有上限。因此采用最低负 荷路由是有局限性的。 强制路由 另一种方法是某种同类话务采用相同的路由，也就是强制路由，此时路由由维 护人员来配置。 2 4 世丛i s 毯：坠圆坌塑丝幽釜型剑生圆鳖塞焦醒量的进篡 直达路山 这种路由算法没有保护机制。所有的话务在一个链路上传输。如果这个链路发 生故障，所有的话务中断，发生数据丢失。这种算法大部分用在没有其它方法的接 入网。 另外还有几种带保护机制的路由 负荷分担路由 固定迂回路由 不相交 负荷分担路由( l s r ) 和直达路由所有的话务都走相同的链路相比，l s r 中话务通过两个或更多的链 路传输。每一个链路上话务的卣分比可以不同。 l s r 举例： 2 个链路：第一个链路6 0 第二个链路4 0 3 个链路：第一个链路1 0 ， 第二个链路7 0 ， 第三个链路2 0 4 个链路：第一个链路3 0 第二个链路2 0 第三个链路4 0 第四个链路1 0 这种算法在链路发生故障时有优点，因为只有故障链路上传输的话务丢失。用 于负荷分担的链路数越多，网络的可靠性也就越高。 吲定迂回路由( f a r ) f a r 算法类似l s r 算法。4 i 同点是f a r 传输话务时采用一个丰要的链路。但 是会预先定义至少一个同定迂回路由传输溢 _ 话务。 当网络运营商希望在一个确定的路由上传输溢出话务时采用固定迂叫路由。 2 5 世丛工墨丝! 坠幽筮坐熊圆垒埋划生园终笾住醒量韪i ! ：簋 不相交 有两种可能： 链路不相交 链路和节点不相交 链路不相交 这表示l s r 或f a r 的迂回路由不和原来的路由采用共享链路。因为共享链路 发生故障，所有的活务就会发生中断。采用链路不相交就可以避免这一点。 链路和节点不相交 比链路不相交更好的是链路和节点不相交。对于链路和节点不相交，迂回路由 采用刁i 同的链路和节点。如果一个节点出现故障，话务町以通过另一个节点传输。 通过这种保护机制，提高了网络的可靠性。 4 2 总结 采用不同的路由算法，话务被分丌到几个链路上。这样，必须考虑两个节点之 问的话务通过几个节点路由。这影响话务转接节点的吞吐量和话务矩阵。 话务矩阵包含两个节点之间的话务信息。考虑路由算法，话务矩阵还包括话务 在刚络巾所走的路径。 例如，节点a 和节点b 之问的话务假设为2 0 e r l 。有两个链路，采用负荷分担 算法。一个链路上的话务百分比为6 0 ，另一个为4 0 。分别通过路由器c 和d ( 见下图) 。原来的话务矩阵中只有a 和b 之问的话务2 0 e r l 。而详细的话务矩阵 还包括了转接节点，路由器c 和d 。这样话务的整个路径也包括在了详细的话务矩 阵中。 图3 2 话务路径 型丛工s 丝! 盘圆坌丝堂型终塑划生圆鳖丛住醒量的i ! ：鳗： 学位：e r l 固3 - 3 原耒的话务矩阵 鬻黎蠢鏊蒸；l霪灞黼滋斓黼麟篓 懿麟 1 282 0 i ；繇 黼夔 1 2 二? ；i = ；i 蓊 8 羹殿囊 2 02 0 单位：e 一 图3 4 详细的话务矩阵 5开销 各个不同的接口，采用不同的协议模型。而这些协议的每层都会产生不同的 丌销，这些丌销规划时必须考虑在内。 5 1u m t s 各接口协议栈 l u p s 接u 的协议栈 l u p s 接口的协议栈如下图所示。由网络运营商来决定第二层协议是采用a t m a a l 5 还是采用带l l c s n a p 的a t m a a l 5 。采用的协议会影响开销因子。为计算 丌销因子，需要汁算所有层的丌销总和。通常，l u p s 接1 5 1 使用a t m a a l 5 协议。 2 7 u 丛工曼撞! 坠圆盆塑越圆堡塑划主圆缝笾丝酲堇盥i l 簋 囤3 - 5l u p s 接口协议谴【6 g n 接l 的协议栈 在g n 接口，除了第l 层和第2 层开销，g t p 、u d p 和i p 开销也需要考虑。第 2 层协议可以使用帧巾继( 一般不用) 、i p 基于i e e e 8 0 2 3 或a t m a a l 5 。 图3 - 6g n 接口协议栈 6 g i 接口的协议栈 g i 接u 协议栈如下图所示。需要考虑帧中继( 一般不用) 、i p 基于i e e e8 0 2 3 或a t m 丌销。这里只有第1 层和第2 层需要考虑。 园3 - 7g i 接口协议栈【6 2 8 塑凹工墨弦! 坠幽坌塑越圆终规划生圆鳖塞住醒量的立l 翼 5 2 第二层协议开销 第_ 层协议可以采用f r 、a t m 、或e t h e r n e t 。这几种情况丌销也不同。由于在 u m t s 中基本不使用f r 。冈此这里只讨论a t m 和e t h e r n e t 。 i p 基于用l l c ，s n a p 封装的a t m a a l 5 a t m 提供虚连接( v c ) 交换环境。通过v c 的数据按5 3 字节分段称为信兀 ( a t m 报头5 个字节，数据4 8 个字节) 。用户协议数据单元( p d u ) 到a t m 信元 信息域的映射由a t m 遁配层( a a l ) 完成。对于i p 基于a t m ，映射采用 a a l 5 。 为了通过a t m 传输i p p d u ，i p p d u 必须增加l l c s n a p 报头和a a l 5 报 头。l l c ( 逻辑链路控制) 协议包括话务类型，s n a p ( 子网络接入协议) 定义以太 类型。也就是所用的接入技术，e t h e