Содержание

Введение

1. Актуальность темы

Одним из наиболее актуальных научных задач в области телекоммуникаций является передача потокового трафика реального времени с соблюдением ряда требований к качеству обслуживания. Это связано с тем, что множество потоков данных передается по сети, ресурсы которой необходимо распределить между этими потоками по определенной пропорции. Поскольку данные, которые подлежат передаче, различные по своей природе и важности, то необходимо иметь механизмы, которые позволяют решать задачу распределения ресурсов оперативно, в соответствии с свойствами тех потоков, которые передаются в конкретный момент времени через конкретные телекоммуникационные узлы. Такие механизмы должны базироваться на усовершенствованных методах распределения ресурсов, имеющих высокую масштабируемость, быстродействие, гибкость, низкую операционную сложность и ресурсоемкость. Для повышения качества обслуживания (QoS) передаваемого сетевого трафика актуальным является поиск гибких методов управления сетевыми ресурсами для обеспечения их сбалансированного загрузки и гарантированного качества обслуживания разнородного трафика пользователей в мультисервисных сетях. По проблематике разработки методов управления трафиком в мультисервисных сетях связи стоит отметить работы Лемешко А.В., Петрова В.В., Цыбаков Б.С., Иванова В.В., Ложковский А.Г., Сидоровой О.И. , Yanfeng Zhang, Cuirong Wang и Yuan Gao. Работы, посвященные методам оптимизации эффективности использования сетевых ресурсов, в основном, носят теоретический характер, связанный с созданием новых алгоритмов управления, что делает их труднореализуемыми в реальной сети оператора связи. Другим недостатком существующих методов является использование комплексного подхода к управлению информационными потоками без учета особенностей каждого типа трафика, генерируемого различными сетевыми приложениями. Повышение качества обслуживания информационных потоков также частично достигают путем совершенствования аппаратной составляющей - использованием буферной сортировочной памяти или сортировочных сетей. Существующие технические методы управления трафиком в сетевых устройствах (шейпинг и полисинг) оказываются малоэффективными при обработке трафика. В частности, для уменьшения потерь алгоритм полисинг требует увеличения пропускной способности канала, в результате чего уменьшается его использования (снижается утилизация), а алгоритм шейпинга вносит задержки, может быть неприемлемым при обработке потоков реального времени. Программный путь улучшения показателей QoS заключается в использовании комбинаций базовых дисциплин обслуживания очередей на сетевом уровне и совершенствовании алгоритма управления информационными потоками на базе WRR (Weighted Round Robin - взвешенного механизма кругового обслуживания) в узлах телекоммуникационных сетей, в том числе на основе создания их программных аналогов. Таким образом, расширение спектра услуг, масштабирование инфраструктуры и объемы трафика, постоянно растут побуждают к решению научной задачи улучшения качества обслуживания потокового трафика в мультисервисных сетях за счет совершенствования метода адаптивного управления структурными параметрами узла и разработки моделей виртуализации сетевого устройства.

2. Стандартизация качества обслуживания в мультисервисных телекоммуникационных сетях. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Качество обслуживания (QoS) активно исследуется и стандартизируется протяжении всей истории развития отрасли телекоммуникаций. Огромный вклад в развитие и совершенствование различных принципов качества обслуживания внес Международный союз электросвязи (МСЭ). МСЭ разработал требования и нормы к различным показателям QoS, провел большую работу по стандартизации многочисленных сетевых устройств, обеспечивающих необходимые показатели QoS, а также формулируют основополагающие понятия и определения .

Мультисервисной сетью называют инфокоммуникационных структуру, в которой клиент может получать несколько различных услуг по одной абонентской линии (набор различных сервисов):

• Интернет - доступ к всемирной сети, Web - страницы, FTP (передача файлов), электронная почта и др.;

• VoIP - IP-телефония, телефонная связь на основе пакетной коммутации;

• IPTV- Передача видеоизображения по сети IP.

Поскольку физический канал один, а требования услуг различны, то распределение канального ресурса между услугами является важной задачей для обеспечения требований QoS услуг . Среди стандартов, посвященных качества обслуживания в электросвязи, одно из центральных мест занимает рекомендация МСЭ Е.800. В ней качество обслуживания определяется как «суммарный эффект рабочих характеристик обслуживания, определяет степень удовлетворенности пользователя этой службой» расширяя концепцию качества обслуживания, соответствует рекомендации Е.800, рекомендация МСЭ G.1000 разделяет рабочие характеристики обслуживания на функциональные компоненты и связывает их с сетевыми характеристиками, определенными в ряде рекомендаций МСЭ - как I. 350, Y.1540 и Y.1541. В дополнение к рекомендации МСЭ G.1000, определяющий структуру связей между рабочими характеристиками и характеристикам сети, рекомендация МСЭ G.1010 содержит спецификации требований со стороны приложений, ориентированных на конечного пользователя.

Качество обслуживания нашло отражение в большом количестве статей и книг, среди которых отметим монографии. В классических IP-сетях применяется метод доставки, который полностью исключает как физическую, так и виртуальную форму организации соединений. Данный метод основан на рассылке пакетов-дейтаграмм. А качество доставки пакетов в традиционных IP-сетях базируется на принципе «лучшей попытки» (Best effort). Понятно, что такой подход к обслуживанию означает, что нет гарантии в доставке пакетов в правильном порядке, нет разницы между различными видами трафика, и он будет доставлен в нужное время или вообще будет доставлен.

С появлением новых приложений, в том числе реального времени (интерактивная передача речи, видеоконференции и видеотелефония и др.), одним из самых сложных становится вопрос обеспечения гарантированного уровня качества обслуживания в сетях. Это объясняет, почему качество обслуживания в сетях IP остается предметом постоянного внимания МСЭ, ETSI, IETF и других организаций стандартизации в электросвязи. В рамках работ МСЭ по стандартизации качества обслуживания в IP-сетях предусматриваются следующие этапы выполнения задачи обеспечения качества обслуживания QoS для сетей, построенных на базе протоколов IP:

• создание согласованного общего набора рабочих характеристик IP-сетей и норм для него;

• внедрение сетевых механизмов, которые будут обеспечивать заданные показатели качества обслуживания в конфигурации «терминал-терминал»;

• вложения нормированных значений показателей качества обслуживания в протоколы сигнализации

2.1. Технологии обеспечения QoS в системах с коммутацией пакетов Технология Best Effort Service

Технология Integrated Service (IntServ)

Integrated Service (IntServ) - модель интегрированного обслуживания. Может обеспечить сквозную из конца в конец (End-to-End) качество обслуживания, гарантируя необходимую пропускную способность для различных потоков трафика. IntServ применяет для своих целей протокол сигнализации RSVP, который позволяет приложениям выражать сквозные требования к ресурсам и содержит механизмы обеспечения данных требований. IntServ можно кратко охарактеризовать как резервирование ресурсов (Resource reservation). Согласно концепции «Integrated Services» приложения могут выбирать для своих потоков данных любой из многочисленных контролируемых уровней качества обслуживания. Для этого в базовых IP-сервисов добавляются новые компоненты и механизмы. обслуживание в реальном времени требует гарантий, и эти гарантии не могут быть обеспечены без резервирования. Протокол RSVP предусматривает, что ресурсы резервируются для каждого потока, требует QoS на каждом промежуточном маршрутизаторе на пути от отправителя к получателю с использованием сигнализации «из конца в конец». Это, в свою очередь, требует хранения на маршрутизаторах данных о состоянии каждого конкретного потока и, как следствие, подразумевает кардинальные изменения в общей модели Internet. Кроме того, такое решение предлагает способ передачи требований приложения элементам сети, расположенным вдоль пути и обмена служебной информацией QoS между сетевыми элементами и программой. Недостатки использования протокола RSVP следующие:

• нужно время на прокладку маршрута резервирования, что может быть критическим в крупных корпоративных и глобальных сетях;

• дополнительная загрузка промежуточных маршрутизаторов информацией о характере передаваемого трафика.

Технология Differentiated Service (DiffServ)

Differentiated Service (DiffServ, RFC 2474/2475) - модель дифференцированного обслуживания. Определяет обеспечения QoS на основе четко определенных компонентов, комбинированных с целью предоставления необходимых услуг. Архитектура DiffServ предполагает наличие классификаторов и формирователей трафика на границе сети, а также поддержку функции распределения ресурсов в ядре сети с целью обеспечения необходимой политики пошагового обслуживания (Per-Hop Behavior - PHB). DiffServ разделяет трафик на классы, вводя несколько уровней QoS, и состоит из следующих функциональных блоков:

• предельные формирователи трафика (классификация пакетов, маркировка, управление интенсивностью)

• модули реализации PHB политики (распределение ресурсов, политика отвержение

DiffServ можно кратко охарактеризовать как приоритезацию трафика (Prioritization). Механизмы DiffServ совершенствует протокол IP с целью решения недостатков IntServ / RSVP и обеспечивает масштабируемое избирательное обслуживания в Internet без необходимости запоминать состояние каждого потока и поддерживать сигнализацию. В отличие от RSVP, в случае DiffServ отправитель и получатель обмениваются информацией о требованиях к качеству обслуживания, исключает временные затраты на прокладку пути, присущие RSVP .

Механизмы DiffServ ограничиваются только установлением соответствия между услугами и различными уровнями «чувствительности» к задержкам и потерям, то есть не имеют дела с точными значениями или гарантиями. Они не рассчитаны на обеспечение того или иного уровня обслуживания. Вместо этого они пытаются обеспечить относительное упорядочивания агрегированных потоков, так что с одним из них «обращаться лучше», чем с другим, в зависимости от определенных правил обслуживания. Масштабируемость архитектуры DiffServ достигается за счет объединения классификационных признаков трафика, при этом информация о типе трафика передается в заголовке IP-датаграммы. При этом сложные операции классификации, маркировки, определение правил обслуживания и формирования трафика выполняются только на границах сети или на хостах .

Перспективы гибридных технологий QoS

Применяемые вместе IntServ и DiffServ могут способствовать внедрению IP-телефонии, видео по требованию и различных критически важных для предприятий не мультимедийных приложений. IntServ позволяет хостам спрашивать конкретный объем ресурсов для каждого потока и использовать обратную связь для определения возможности выполнения запросов. DiffServ обеспечивает масштабируемость для крупных корпоративных сетей. В настоящее время предложена гибридная структура. Она предусматривает применение модели, в которой периферийные подсети поддерживают RSVP и IntServ. Эти подсети связанные промежуточными сетями DiffServ. Благодаря масштабируемости сетей DiffServ данная модель позволяет расширить диапазон действия сетей IntServ / RSVP. Промежуточные сети DiffServ выглядят для сетей IntServ / RSVP как одна транзитная звено. Хосты, подключенные к периферийным сетей IntServ / RSVP, передают через сети DiffServ запросы друг другу на резервирование ресурсов для каждого потока. Внутри периферийных сетей IntServ / RSVP применяется стандартная обработка протоколов IntServ / RSVP, а сигнальные сообщения RSVP передаются через сети DiffServ прозрачным образом. Устройства на границе между сетями IntServ / RSVP и сетями DiffServ обрабатывают сообщения RSVP и обеспечивают входной контроль с учетом наличия ресурсов внутри сети DiffServ.

Характеристики качества обслуживания потоковых видов трафика в телекоммуникационных IP сетях

У У рекомендации ITU Y.1540 определены следующие сетевые характеристики, как наиболее важные с точки зрения степени их влияния на качество обслуживания (пропускная способность, надежность сети / сетевых элементов, задержка (мс) и джиттера задержки, величина потерь (%), живучесть - возможность сохранения работоспособности сети при выходе из строя отдельных элементов сети) от одного интерфейса пользователь-сеть User Network Interface (UNI) к другому интерфейса пользователь-сеть UNI) .

пропускная способность сети (или скорость передачи данных) определяется как эффективная скорость передачи, измеряемая в битах в секунду. В рекомендации ITU-T Y.1540 не приведены значения пропускной способности для различных приложений; но, вместе с тем, отмечено, что параметры, связанные с пропускной способностью, могут быть определены с помощью рекомендации ITU-T Y.1221 .

надежность сети / Сетевых элементов может определяться рядом параметров, из которых чаще всего используется коэффициент готовности, представляющий собой отношение времени работоспособности объекта до времени наблюдения. В идеальном случае коэффициент готовности должен быть равен 1, что означает 100% -ную готовность сети.

В рекомендации МСЭ-T.1540 задержка является основным параметром, характеризующим доставку пакетов IP-сети, и выражается через параметр задержки IPTD (IP packet transfer delay), который определяется как время доставки пакета между источником и получателем для всех пакетов как успешных так и пакетов с з ошибками. Рост нагрузки и уменьшение доступных сетевых ресурсов ведут к росту очередей в узлах сети и, как следствие, к увеличению средней задержки доставки.

параметр Vk - вариация задержки IP-пакета IP packet delay variation (IPDV) между входной. и выходной точками сети является отклонением значений задержки от заданной величины. Вариация задержки пакета IP, называемая также джиттера, проявляется в том, что регулярно переданы пакеты прибывают к получателю в нерегулярные моменты времени. В системах IP-телефонии это, например, ведет к искажениям звука и, в результате, к тому, что речь становится неразборчивой.

Коэффициент потерь IP-пакетов IP packet loss ratio (IPLR) определяется как отношение суммарного числа потерянных пакетов к общему числу переданных пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Если пакеты теряются, то при передаче данных возможна их повторная передача по запросу принимающей стороны.

2.3Методы оценки качества предоставления услуг в сетях с неоднородным входным потоком

Перечисленные сетевые характеристики необходимы для построения модели качества услуг в IP-ориентированных сетях, однако будучи техническими характеристиками, они не отражают собственно качества в понимании пользователя. Для того чтобы модель предоставляла базу для взаимодействия с потребителями услуг, она должна также определять технические характеристики с помощью пользовательских субъективных оценок, то есть должна быть клиентоориентированная.

Для оценки качества предоставления услуг используют показатель оценки качества восприятия услуг QoE (Quality of Experience), который прямо пропорционально зависит от показателя качества предоставления сервиса QoS (Quality of Service). QoE - это субъективная оценка услуги на прикладном уровне пользователем, который пользуется услугой. QoS - это набор технологий сетевого и канального уровней, использование которых позволяют эффективно использовать ресурсы сети, особенно при передаче потоковых видов трафика для обеспечения необходимого достаточного уровня QoE . Объективные методы оценки качества позволяют исключить человека из процедуры оценки, а, следовательно, и легко автоматизируются. Объективные методы делятся на активные и пассивные. В активных методах оценки качества осуществляется путем сравнения эталонной последовательности (оригинала) с последовательностью, которая была искажена при передаче по сети.

К активным методам относятся:

• рекомендация ITU-T P.862 - PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality) - оценка восприятия качества передачи речи.

• рекомендация ITU-T BS.1387 - PEAQ (Perceptual Evaluation of Audio Quality) - оценка восприятия качества передачи аудио.

• рекомендация ITU-T J.247 - PEVQ (Perceptual Evaluation of Video Quality) - оценка восприятия качества передачи видео.

К пассивным методам относятся:

• рекомендация ITU-T P.563 - PSQM (Perceptual Speech Quality Measurement) алгоритм пассивного мониторинга для оценки качества речевой связ

• рекомендация ITU-T G.107 E-model оценивает качество речевой связи с помощью R-фактора.

• рекомендации ITU-T G.1030 G.1040 оценивания качества передачи данных.

Самым простым вариантом оценки параметра QoE может служить оценка MOS. Эта оценка является усредненным значением оценок нескольких наблюдений, полученных на основе использования методики ITU-T с использованием пятибалльной системы. Для оценки QoE оценивают такие параметры: время установления соединения; время реакции на выполнение команды; замирание изображения разбиение изображения синхронизацию изображения и голоса; четкость и разборчивость звука. Однако модель MOS не учитывает ряд явлений, типичных для пакетных сетей, влияющих на качество услуги. В модели MOS отсутствует возможность количественно учесть влияние факторов на качество речи. Кроме того, модель MOS представляет оценку качества в однонаправленном соединении, а не в двух направлениях реального соединения. Все это требовало разработки новых моделей и методов оценки качества передачи данных, учитывающие особенности пакетных сетей. Важным фактором также является то, что разный тип трафика по-разному влияет на представление абонента о качестве предоставляемой услуги доступа в сеть Интернет, и поэтому задача определения и управления различных типов трафика с позиции их влияния на впечатление абонента является актуальной и приоритетной задачей для операторов телекоммуникационных сетей .

Измерения трафика IPTV, как и всего трафика видеопотоков, показывают, что он имеет тенденцию к экспоненциальному росту и начинает конкурировать с трафиком от традиционных приложений в IP- сетях в борьбе за сетевые ресурсы. Долгое время в качестве основных методов оценки качества IPTV рассматривались только субъективные методы оценки качества передачи видео, однако, их широкое использование в процессе эксплуатации услуг IPTV не представляется возможным в виду сложности проведения тестов (необходимость постоянно содержать группу или группы экспертов). Поэтому в последнее время большую популярность получили методы объективной оценки, основанные на сборе и анализе сетевых характеристик. Но и их нельзя назвать универсальными и способными точно оценить с каким качеством передается видео, поскольку большинство таких методов не учитывает характеристик видеоуслуг. Поэтому сегодня существует достаточно большое количество различных методов оценки качества IPTV как субъективных, так и объективных которые нуждаются в совершенствовании .

3. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью представленной диссертационной работы является повышение качества обслуживания потокового трафика в мультисервисной сети на основе динамического управления параметрами виртуальных сетевых узлов и гибкого распределения вычислительных ресурсов маршрутизатора.

Достижение поставленной цели осуществляется решением следующих задач:

  1. 1. Анализ современных решений по обеспечению гарантированного качества обслуживания в мультисервисных телекоммуникационных сетях.
  2. 2. Разработка модели статической и динамической виртуализации вычислительных ресурсов сетевого устройства.
  3. 3. Разработка аналитической модели маршрутизатора с виртуализацией
  4. 4. Разработка метода адаптивного управления структурными параметрами виртуальных маршрутизаторов.
  5. 5. Разработка имитационной модели маршрутизатора с виртуализацией и без виртуализации ресурсов для оценки эффективности работы сетевого устройства в условиях передачи мультипотокового трафика.
  6. 6. Разработка модели программного маршрутизатора с модульной структурой и автоматическим развертыванием виртуальных узлов с предоставлением необходимых ресурсов и с проведением контроля за характеристиками производительности.
  7. 7. Оценивания параметров качества обслуживания потокового трафика на основе предложенного программно-аппаратного решения в маршрутизаторах з поддержкой виртуализации.

3.Научная новизна работы

Новизна работы заключается в том, что:

  • 1. Впервые предложено структурно-функциональную модель сетевого устройства с динамической виртуализацией вычислительных ресурсов, которая позволяет описать процесс виртуализации маршрутизаторов с взаимной оптимизацией заданного уровня параметров качества обслуживания для определенных типов сервиса.
  • 2. Впервые предложена математическая модель процессов функционирования сетевого устройства с виртуальными маршрутизаторами, которая в отличие от известных позволяет значительно снизить взаимный параметрический влияние различных видов трафика в процессе передачи по сети и оценить качество обслуживания с помощью декомпозиции структуры сетевого узла и дальнейшего математического моделирования на основе теории систем и сетей массового обслуживания.
  • 3. Усовершенствован метод адаптивного управления структурными параметрами виртуальных маршрутизаторов, который позволил на основе разработанной программной модели динамической виртуализации ресурсов маршрутизатора оценить и улучшить параметры качества обслуживания информационного трафика в мультисервисной сети.
  • 4. Получила дальнейшее развитие программная модель маршрутизатора, новизна которой заключается в том, что в ней в отличие от ранее известных моделей является возможность определить виртуальные аналоги аппаратных маршрутизаторов с минимальным необходимым объемом сетевых ресурсов для обеспечения заданного уровня качества обслуживания, что позволяет снизить временные параметры QoS потокового трафика, обеспечивая подтверждения точности их оценки.

    • 3.1 Объект исследования

    объект исследования - процесс обслуживания потокового трафика мультисервисной телекоммуникационной сети с обеспечением качества обслуживания.

    3.2 Предмет исследования

    Предмет исследования - модели и методы повышения качества обслуживания потокового трафика в мультисервисных сетях.

    3.3 Методы исследования

    Методы исследования. В работе нашли свое применение теория систем и сетей массового обслуживания, аналитические, имитационные методы исследования, а также методы натурного эксперимента. .

    Выводы

    В рамках проведенных исследований выполнено:

    1. 1. В работе проанализированы основные модели обеспечения качества обслуживания в мультисервисных телекоммуникационных сетях. Проведен анализ основных параметров, характеризующих QoS в IP - сетях, которые являются базовыми при оказании услуг абоненту в мультисервисной сети и технологий с помощью которых в современных пакетных сетях реализуются методы обеспечения гарантированного качества обслуживания для передачи мультимедийного трафика..

    2. 2. Проведен анализ факторов, определяющих эффективность информационно-телекоммуникационной сети и использования сетевых ресурсов, а также применении для управления телекоммуникационной сетью методы и математические модели. Показано, что современные методы управления потоками данных, хотя и обеспечивают сбалансированную нагрузку ресурсов сети, однако не учитывают некоторые факторы, обусловливающие флуктуационный характер сетевого трафика.

    Список источников

    1. Яновский Г.Г. Качество обслуживания в сетях IP // Вестник связи - 2008. - №1.

    2. Кучерявый Е.А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет. - СПб .: Наука и Техника, 2004. - 336: ил.

    3. МСЭ-Т Recommendation Y.1541. Network Performance Objectives for IP-Based Services // May 2002.

    4. Chervenets V. QoS / QoE Correlation Modified Model for QoE Evaluation on Video Service / V. Chervenets, V. Romanchuk, H. Beshley, A.Khudyy // Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science Proceedings of the ХIIИ th International Conference TCSET'2016

    5. Romanchuk V. Research of Multimedia Streaming Transmission in Multiservice Networks / V. Romanchuk, V. Chervenets, A.Polishuk // Modernproblems of radio engineering, telecommunications and computer science Proceedings of the ХИ th International Conference TCSET'2012

    6. Романчук В. Реализация QoS для мультимедийного трафика в корпоративной сети / В.И. Романчук, В.В. Червенець. // Материалы НМК -Современные проблемы телекоммуникаций и подготовка специалистов в области телекоммуникаций - 2011

    7. Чернихивский Е.М. Исследование механизмов (QoE) в телекоммуникационных сетях / Е.М. Чернихивский, В.В. Червенець, А.В. Полищук // Материалы НПК -Современные проблемы телекоммуникаций