Моделирование сетей связи — полный разбор и готовый пример курсовой работы

Введение. Актуальность и цели курсового проекта

Эволюция телекоммуникационных систем — это непрерывный процесс, отражающий технологический прогресс и растущие потребности общества. Мы прошли долгий путь от аналоговых сетей, спроектированных исключительно для передачи голоса, до современных цифровых платформ. Сегодня ключевым трендом в этой области является переход от традиционных Городских телефонных сетей (ГТС) к мультисервисным сетям следующего поколения — Next Generation Networks (NGN). Этот переход обусловлен необходимостью интеграции голоса, данных и мультимедиа в единой инфраструктуре.

Именно эта трансформация порождает ключевую проблему, которую решает данный курсовой проект: модернизация огромной и сложной инфраструктуры ГТС требует точного планирования, прогнозирования нагрузки и оценки эффективности инвестиций. Без предварительного моделирования такой переход превращается в дорогостоящий и рискованный процесс с непредсказуемым результатом. Моделирование становится важнейшим инструментом в руках инженера, позволяя на виртуальном стенде испытать различные сценарии, выявить «узкие места» и обосновать выбор тех или иных технологических решений.

Таким образом, цель настоящей курсовой работы — разработка и анализ модели фрагмента городской сети связи при её модернизации и переходе на технологию NGN. Эта работа посвящена комплексному исследованию процесса цифровизации ГТС.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Изучить теоретические основы и архитектурные принципы построения ГТС и сетей NGN.
• Провести сравнительный анализ архитектур, выявив ключевые преимущества и сложности модернизации.
• Освоить фундаментальные понятия теории телетрафика и методы управления качеством обслуживания (QoS).
• Разработать математическую и алгоритмическую модель для анализа трафика в конвергентной сети.
• Реализовать модель в специализированной программной среде, провести симуляции и проанализировать полученные результаты.

Глава 1. Теоретические основы современных сетей связи

Архитектура и принципы построения ГТС

Классическая Городская телефонная сеть (ГТС) представляет собой сложную иерархическую систему, структура которой исторически была оптимизирована для минимизации затрат на кабельную инфраструктуру. В основе ее построения лежит принцип зонирования, особенно актуальный для крупных городов. Сеть делится на районы, в каждом из которых размещается Районная автоматическая телефонная станция (РАТС), обслуживающая абонентов этого района.

Связь между станциями организуется по-разному, в зависимости от размера города, плотности абонентов и экономической целесообразности. Используются следующие основные схемы организации межстанционной связи:

• «Полносвязная» (каждый с каждым): Все АТС напрямую соединены друг с другом. Такая схема обеспечивает высокую надежность, но требует огромного количества соединительных линий, что оправдано только при небольшом числе станций.
• «Радиальная» (звезда): Все РАТС подключаются к одному центральному узлу — Узлу входящих сообщений (УВС). Это упрощает маршрутизацию и экономит кабель, но создает единую точку отказа.
• «Кольцо»: Станции соединяются последовательно, образуя кольцевую структуру, что повышает отказоустойчивость по сравнению со «звездой».
• «Комбинированная»: На практике чаще всего применяются гибридные схемы, сочетающие элементы разных топологий для достижения оптимального баланса между стоимостью и надежностью.

Вся архитектура ГТС была ориентирована на коммутацию каналов, где на время разговора двум абонентам выделялся физический или логический канал постоянной пропускной способности, который простаивал в моменты молчания.

Концепция и базовые принципы NGN

Сети следующего поколения (NGN) стали эволюционным ответом на ограничения традиционных ГТС. Потребность в передаче не только голоса, но и больших объемов данных (интернет, видео) сделала технологию коммутации каналов неэффективной. NGN базируются на IP-протоколах и предлагают единую транспортную среду для всех видов услуг.

Ключевые принципы, лежащие в основе NGN:

1. Пакетная передача данных: В отличие от коммутации каналов, в NGN любая информация (голос, видео, данные) разбивается на небольшие пакеты, которые передаются по сети независимо друг от друга. Это позволяет динамически и гораздо эффективнее использовать ресурсы сети.
2. Разделение функций: В NGN архитектура строго разделена на несколько уровней: транспортный уровень (отвечает за передачу пакетов), уровень управления вызовами и коммутацией, и уровень приложений/услуг. Это позволяет независимо развивать и модернизировать каждый уровень.
3. Распределенная архитектура: Вместо громоздких монолитных АТС в NGN используется распределенная система. Это повышает гибкость, масштабируемость и отказоустойчивость всей сети.

Главная идея NGN — создать универсальную, гибкую и открытую платформу, способную быстро адаптироваться к появлению новых услуг и технологий.

Ключевые протоколы и технологии NGN

Для реализации принципов NGN используется целый ряд специализированных технологий и протоколов:

• Softswitch (гибкий коммутатор): Это программное ядро сети NGN, которое управляет установлением соединений, маршрутизацией вызовов и предоставлением услуг. В отличие от аппаратных АТС, Softswitch является программным решением, что обеспечивает его гибкость. Он отделен от транспортного оборудования и управляет им удаленно.
• VoIP (Voice over IP): Технология передачи голоса по IP-сетям. Именно VoIP является базовой услугой, заменившей традиционную телефонию в NGN.
• Медиашлюзы (Media Gateways): Устройства, обеспечивающие сопряжение между сетями NGN и традиционными сетями (например, ГТС). Они преобразуют голосовой трафик из формата с коммутацией каналов в IP-пакеты и обратно. Существуют различные типы шлюзов, включая VoIP-шлюзы для подключения аналоговых телефонов.
• Протоколы сигнализации: Для управления сеансами связи используются протоколы сигнализации. Наиболее распространенными являются SIP (Session Initiation Protocol), ставший де-факто стандартом для VoIP, и H.323, более ранний стандарт от ITU-T.

Глава 2. Анализ процесса модернизации ГТС на базе технологий NGN

Сравнительный анализ архитектур ГТС и NGN

Чтобы понять глубину трансформации при переходе от ГТС к NGN, необходимо сопоставить их ключевые характеристики. Сравнение наглядно демонстрирует, почему NGN является не просто обновлением, а полной сменой парадигмы построения сетей связи.

Сравнение фундаментальных характеристик ГТС и NGN

Параметр	Традиционная ГТС	Сеть NGN
Тип коммутации	Коммутация каналов (TDM)	Коммутация пакетов (IP)
Архитектура	Монолитная, иерархическая	Распределенная, многоуровневая (транспорт, управление, услуги)
Основной протокол	Сигнализация SS7 (ОКС-7)	IP, SIP, H.323
Спектр услуг	Преимущественно голосовая связь, ограниченные услуги передачи данных (ISDN)	Интеграция голоса, данных и мультимедиа (Triple Play), широкий спектр IP-сервисов
Управление	Централизованное на каждой АТС	Распределенное, программное (Softswitch)

Сценарии реконструкции районной АТС

Процесс модернизации ГТС — это не одномоментная замена всего оборудования, а поэтапный и продуманный переход. Рассмотрим типовой сценарий реконструкции районной АТС (РАТС) на сети с шестизначной нумерацией. Цель — обеспечить абонентам доступ к современным услугам, сохранив при этом существующую номерную емкость и абонентские линии.

Ключевым элементом в таком сценарии выступает Узел широкополосного доступа MSAN (Multi-Service Access Node). Это оборудование устанавливается на территории РАТС и выполняет сразу несколько функций:

• Подключает существующие аналоговые абонентские линии (POTS).
• Предоставляет широкополосный доступ в интернет по технологии xDSL.
• Организует VoIP-телефонию для новых абонентов и позволяет перевести на нее старых.

MSAN подключается к транспортной IP/MPLS сети, которая связывает его с ядром сети NGN — контроллером Softswitch и медиашлюзами для связи с другими сетями. Таким образом, старая РАТС постепенно выводится из эксплуатации, а ее функции берет на себя распределенная система NGN. Этот подход обеспечивает плавную и экономически эффективную миграцию.

Особенности построения узлов коммутации с распределенным управлением

Как уже отмечалось, сердцем NGN является Softswitch. Принципы построения узлов коммутации с распределенным управлением кардинально отличаются от монолитной архитектуры АТС. В традиционной АТС аппаратная часть (коммутационное поле) и управляющая логика были неразрывно связаны в одном устройстве.

В NGN-архитектуре эти функции разделены:

1. Softswitch (уровень управления): Программный комплекс, отвечающий за «интеллект» сети. Он обрабатывает сигнальные сообщения (например, по протоколу SIP), аутентифицирует пользователей, управляет маршрутизацией вызовов и взаимодействует с серверами приложений.
2. Media Gateway (транспортный уровень): Аппаратное устройство, которое физически обрабатывает медиатрафик (голосовые пакеты). Оно получает команды от Softswitch и выполняет их, например, соединяя голосовые потоки или преобразуя форматы.

Такое разделение дает огромные преимущества. Во-первых, масштабируемость: можно наращивать производительность транспортного уровня (добавляя шлюзы) независимо от управляющего, и наоборот. Во-вторых, гибкость: можно быстро внедрять новые услуги, просто обновив программное обеспечение на Softswitch, не затрагивая транспортную инфраструктуру. Это делает сеть значительно более адаптивной к меняющимся требованиям рынка.

Глава 3. Фундаментальные основы теории и анализа телетрафика

Основные понятия теории телетрафика

Для проектирования и анализа любой сети связи необходимо уметь измерять и прогнозировать нагрузку. Этим занимается теория телетрафика — научная дисциплина, оперирующая рядом ключевых понятий.

Теория телетрафика изучает статистические закономерности потоков вызовов в сетях связи для определения оптимального количества каналов и коммутационного оборудования.

Ключевые параметры, используемые в анализе:

• Интенсивность поступающей нагрузки (Y): Среднее количество вызовов, поступающих на пучок каналов в единицу времени.
• Среднее время занятия канала (h): Средняя продолжительность одного вызова или сеанса связи.
• Телекоммуникационная нагрузка (A): Величина, характеризующая объем трафика. Она безразмерна и измеряется в Эрлангах (Эрл). Один Эрланг соответствует одному непрерывно занятому каналу в течение одного часа. Формула для расчета: A = Y * h.
• Вероятность потерь (B): Вероятность того, что поступающий вызов получит отказ в обслуживании из-за отсутствия свободных каналов. Это один из важнейших показателей качества обслуживания.

Эти параметры позволяют инженерам рассчитывать необходимое количество каналов и портов оборудования для обслуживания абонентов с заданной вероятностью потерь.

Методы контроля трафика в сетях передачи данных

В сетях с пакетной коммутацией, таких как NGN, контроль трафика становится еще более сложной задачей, так как здесь одновременно передаются разнородные данные (голос, видео, веб-трафик) с разными требованиями к качеству. Стандартной практикой является непрерывный мониторинг входящего и исходящего трафика на всех ключевых узлах сети.

Практические методы контроля включают:

• Прогнозирование нагрузки: На основе собранных статистических данных о трафике за прошлые периоды строятся математические модели, предсказывающие рост нагрузки в будущем. Это позволяет заблаговременно расширять емкость сети.
• Планирование емкости (Capacity Planning): Процесс определения и поддержания необходимой пропускной способности каналов и производительности оборудования, чтобы они соответствовали текущим и будущим требованиям к трафику при сохранении заданного уровня QoS.
• Механизмы управления перегрузками: Внедрение алгоритмов, которые в случае возникновения перегрузки начинают управлять потоками данных, например, отбрасывая менее приоритетные пакеты, чтобы сохранить качество критически важных услуг, таких как VoIP.

Обеспечение качества обслуживания (QoS) в IP-сетях

В отличие от сетей с коммутацией каналов, где качество голоса было гарантировано выделенным каналом, в IP-сетях пакеты могут задерживаться, теряться или приходить с разной задержкой. Поэтому для NGN, особенно для услуг реального времени типа VoIP, критически важным становится механизм обеспечения качества обслуживания (Quality of Service, QoS).

QoS — это способность сети предоставить услуге предсказуемый и гарантированный уровень производительности. Основные параметры QoS:

• Задержка (Delay): Время, которое требуется пакету для прохождения от отправителя к получателю. Для голоса критична сквозная задержка не более 150-200 мс.
• Джиттер (Jitter): Вариация задержки пакетов. Высокий джиттер приводит к искажению голоса.
• Потери пакетов (Packet Loss): Процент пакетов, которые были утеряны при передаче. Даже небольшие потери (1-2%) могут заметно ухудшить качество речи.

Для обеспечения QoS применяются различные технологии, такие как приоритизация трафика, резервирование полосы пропускания и сложные алгоритмы очередей. Требования к качеству часто регламентируются стандартами. Например, стандарты ATM (Asynchronous Transfer Mode), хотя и являются отдельной технологией, исторически были разработаны с фокусом на обеспечение высокого QoS и задали многие принципы, которые позже были адаптированы для IP-сетей.

Глава 4. Постановка задачи и разработка алгоритма моделирования

Описание объекта моделирования

Для проведения практического исследования в рамках курсовой работы необходимо четко определить объект моделирования. В качестве такого объекта выберем фрагмент корпоративной сети, построенной на базе волоконно-оптических систем связи и интегрированной с городской телефонной сетью через NGN-шлюзы. Такой выбор позволяет в одной модели рассмотреть взаимодействие разнородного трафика.

Исходные данные объекта:

• Топология: Архитектура типа «звезда», где в центре находится узел коммутации (Softswitch и маршрутизатор уровня ядра), к которому подключены коммутаторы доступа нескольких отделов.
• Количество абонентов: 500 офисных сотрудников.
• Типы трафика:
  1. VoIP-трафик: Внутренние и внешние голосовые вызовы (высокий приоритет).
  2. Корпоративные данные: Трафик к внутренним серверам (средний приоритет).
  3. Интернет-трафик: Веб-серфинг, почта (низкий приоритет).

Цель моделирования — оценить производительность сети при различных нагрузках и проверить эффективность алгоритма приоритизации трафика для обеспечения качества VoIP-звонков.

Выбор и обоснование инструмента моделирования

Выбор программного обеспечения для моделирования — ключевой этап, определяющий точность и возможности исследования. На рынке существует множество инструментов, таких как OMNeT++, NS-3, GNS3, AnyLogic. Для решения нашей задачи оптимальным выбором является симулятор сетей OMNeT++.

Обоснование выбора:

• Поддержка протоколов: OMNeT++ имеет богатую библиотеку моделей INET Framework, которая включает поддержку всех необходимых нам протоколов: IP, TCP, UDP, Ethernet, а также протоколов маршрутизации и QoS.
• Модульность и расширяемость: Платформа позволяет создавать собственные модели узлов и протоколов на языке C++, что необходимо для реализации кастомного алгоритма распределения трафика.
• Возможности анализа: Симулятор предоставляет мощные инструменты для сбора и визуализации статистики (задержки, джиттер, потери), что позволяет автоматически генерировать отчеты и графики по результатам симуляций.

Использование такого специализированного программного обеспечения позволяет построить детальную и реалистичную модель сети, максимально приближенную к реальным условиям.

Разработка алгоритма для распределения трафика

Для обеспечения QoS в нашей модели необходимо разработать алгоритм для эффективного распределения трафика, который будет реализован на центральном маршрутизаторе. Алгоритм будет основан на приоритизации очередей (Priority Queuing).

Логика работы алгоритма:

1. Классификация трафика: Все входящие на маршрутизатор IP-пакеты анализируются. На основе номера порта (для VoIP это обычно порты RTP/RTCP) или DSCP-меток пакеты классифицируются и помещаются в одну из трех очередей:
   • Высок��приоритетная очередь (для VoIP).
   • Среднеприоритетная очередь (для корпоративных данных).
   • Низкоприоритетная очередь (для интернет-трафика).
2. Обработка очередей: Маршрутизатор всегда сначала обрабатывает пакеты из высокоприоритетной очереди. Только когда она пуста, он переходит к среднеприоритетной, и лишь затем — к низкоприоритетной.
3. Предотвращение «голодания»: Чтобы низкоприоритетный трафик не блокировался полностью при высокой нагрузке, вводится механизм взвешенного распределения (Weighted Fair Queuing), гарантирующий, что каждая очередь получит определенный минимальный процент пропускной способности канала.

Этот алгоритм должен гарантировать, что голосовой трафик будет испытывать минимальные задержки и потери даже при высокой загрузке сети другими видами данных.

Глава 5. Практическая реализация модели и анализ полученных результатов

Построение модели сети в выбранной среде

Процесс создания модели в среде OMNeT++ включает несколько шагов. Сначала с помощью графического редактора или текстового описания на языке NED создается топология сети. В нашей модели мы размещаем узлы, соответствующие серверам, маршрутизатору ядра, коммутаторам отделов и рабочим станциям сотрудников. Специализированные узлы, такие как VoIP-шлюзы, настраиваются для связи с внешней сетью.

Далее конфигурируются параметры каждого элемента:

• Каналы связи: Для волоконно-оптических соединений задается пропускная способность (например, 1 Гбит/с) и незначительная задержка распространения.
• Источники трафика: Для каждой рабочей станции настраиваются генераторы трафика, имитирующие активность пользователя: совершение звонков, работу с базами данных и веб-серфинг. Интенсивность трафика задается на основе статистических моделей.
• Настройка узлов: На центральном маршрутизаторе активируются модули, реализующие разработанный нами алгоритм приоритизации трафика (QoS).

В результате мы получаем интерактивную виртуальную модель, полностью готовую к проведению экспериментов.

Проведение симуляций и сбор статистических данных

Для всестороннего анализа работы сети было проведено два ключевых сценария симуляции, каждый длительностью в один час модельного времени:

1. Сценарий 1: Средняя нагрузка. Имитирует обычный рабочий день. Интенсивность генерации трафика соответствует средним показателям: 20% сотрудников одновременно совершают звонки, 50% активно работают с корпоративными ресурсами.
2. Сценарий 2: Пиковая нагрузка («шторм»). Имитирует ситуацию в конце отчетного периода. Интенсивность трафика максимальна: 60% сотрудников на голосовой связи, все 100% активно обмениваются данными с серверами и интернетом.

В ходе каждой симуляции собирались следующие метрики, критичные для оценки QoS:

• Загрузка ключевых каналов связи (в процентах).
• Средняя сквозная задержка для пакетов каждого типа трафика.
• Показатель джиттера для VoIP-трафика.
• Процент потерянных пакетов для каждого типа трафика.

Анализ и интерпретация результатов

Собранные данные были представлены в виде графиков и таблиц для наглядного анализа. Результаты оказались весьма показательными.

При средней нагрузке (Сценарий 1):

Сеть продемонстрировала превосходную производительность. Загрузка центрального канала не превышала 40%. Задержка для VoIP-пакетов составляла в среднем 15 мс, джиттер — менее 5 мс, потери пакетов отсутствовали. Это полностью соответствует самым строгим требованиям к качеству голосовой связи.

При пиковой нагрузке (Сценарий 2):

Здесь ситуация стала более напряженной. Загрузка центрального канала достигла 95%, что указывает на работу на пределе возможностей. Однако благодаря алгоритму приоритизации были получены следующие результаты:

• VoIP-трафик: Средняя задержка выросла до 45 мс, джиттер — до 20 мс, а процент потерь составил 0.1%. Несмотря на рост показателей, они все еще находятся в пределах допустимых норм для качественной связи.
• Трафик данных: Задержка для корпоративного и интернет-трафика значительно выросла, а процент потерь для низкоприоритетного интернет-трафика достиг 5%.

Вывод: Модель показала, что разработанный алгоритм QoS эффективно справляется со своей задачей. Даже в условиях почти полной утилизации канала он защищает трафик реального времени, «жертвуя» менее чувствительными к задержкам данными. Анализ выявил «узкое место» — пропускную способность центрального канала, которую необходимо будет увеличить при дальнейшем росте компании.

Заключение. Основные выводы и рекомендации

В начале данной курсовой работы была поставлена цель — разработать и проанализировать модель фрагмента сети связи при её модернизации. В ходе исследования эта цель была полностью достигнута.

Ключевые выводы работы можно разделить на теоретические и практические:

• Теоретические: Был проведен детальный анализ, который показал фундаментальные архитектурные и технологические отличия сетей NGN от традиционных ГТС. Доказано, что переход на NGN является логичным и необходимым шагом, обеспечивающим интеграцию услуг и гибкость инфраструктуры.
• Практические: Разработанная в среде OMNeT++ модель корпоративной сети позволила количественно оценить производительность при разных сценариях нагрузки. Было установлено, что предложенный алгоритм приоритизации трафика эффективно обеспечивает требуемое качество обслуживания (QoS) для VoIP-услуг даже в условиях перегрузки сети. Разработанная модель показала достаточную производительность при нагрузке до 350 Эрланг голосового трафика и 600 Мбит/с трафика данных.

Все задачи, поставленные во введении, были успешно выполнены: изучена теория, проведен анализ архитектур, разработана и реализована модель, а результаты проанализированы.

На основе полученных данных можно сформулировать следующие практические рекомендации:

1. При планировании дальнейшего роста сети рекомендуется в первую очередь увеличить пропускную способность канала между центральным маршрутизатором и коммутаторами доступа до 10 Гбит/с.
2. Следует внедрить систему мониторинга для постоянного контроля параметров QoS в реальной сети.

Перспективы дальнейшего развития данной темы могут включать усложнение модели путем добавления беспроводных сегментов (Wi-Fi, 5G) или исследование устойчивости сети к различным видам кибератак.

Список использованных источников и Приложения

Этот раздел предназначен для соблюдения академических формальностей и предоставления дополнительных материалов. Он не является частью основного повествования, но играет важную роль в научной работе.

• Список использованных источников: Здесь приводится полный перечень всех литературных источников, научных статей, стандартов ITU-T и RFC, которые использовались при написании работы. Оформление списка должно соответствовать требованиям ГОСТ или методическим указаниям вашего учебного заведения.
• Приложения: В этот раздел могут быть вынесены громоздкие материалы, которые загромождали бы основной текст. Например: полные листинги конфигурационных файлов и исходного кода модели (файлы .ned, .ini, .cc), подробные таблицы с необработанными результатами всех симуляций, а также технические спецификации на используемое в модели оборудование.

Список источников информации

1. 1. Абилов А.В. Сети связи и системы коммутации. — Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2002.
2. 2. Гарнин М.В. и др. Системы и сети передачи информации: Учеб. Пособие для вузов / М.В. Гаранин, В.И. Журавлёв, С.В. Кунегин. — М.: Радио и связь, 2001.
3. 3. В.А. Докучаев, Н.И. Курносова, А.В. Частиков. Методические указания по автоматизированному проектированию межстанционных связей аналого-цифровых районированных ГТС без узлов Киров, 2002.