Содержание

Вступ

1. Актуальність теми

Одним з найбільш актуальних наукових завдань в галузі телекомунікацій є передача потокового трафіку реального часу з дотриманням ряду вимог до якості обслуговування. Це пов'язано з тим, що безліч потоків даних передається по мережі, ресурси якої необхідно розподілити між цими потоками по певній пропорції. Оскільки дані, які підлягають передачі, різні за своєю природою і важливості, то необхідно мати механізми, які дозволяють вирішувати завдання розподілу ресурсів оперативно, відповідно до властивостями тих потоків, які передаються в конкретний момент часу через конкретні телекомунікаційні вузли. Такі механізми повинні базуватися на вдосконалених методах розподілу ресурсів, що мають високу масштабованість, швидкодія, гнучкість, низьку операційну складність і ресурсомісткість. Для підвищення якості обслуговування (QoS) переданого мережевого трафіку актуальним є пошук гнучких методів управління мережевими ресурсами для забезпечення їх збалансованого завантаження і гарантованої якості обслуговування різнорідного трафіку користувачів в мультисервісних мережах. За проблематикою розробки методів управління трафіком в мультисервісних мережах зв'язку варто відзначити роботи Лемешко А.В., Петрова В.В., Цибаков Б.С., Іванова В.В., Ложковський А.Г., Сидорової О.І. , Yanfeng Zhang, Cuirong Wang і Yuan Gao. Роботи, присвячені методам оптимізації ефективності використання мережевих ресурсів, в основному, носять теоретичний характер, пов'язаний зі створенням нових алгоритмів управління, що робить їх важкореалізованими в реальному мережі оператора зв'язку. Іншим недоліком існуючих методів є використання комплексного підходу до управління інформаційними потоками без урахування особливостей кожного типу трафіку, що генерується різними мережевими додатками. Підвищення якості обслуговування інформаційних потоків також частково досягають шляхом вдосконалення апаратної складової - використанням буферної сортувальної пам'яті або сортувальних мереж. Існуючі технічні методи управління трафіком в мережевих пристроях (шейпінг і полісінг) виявляються малоефективними при обробці трафіку. Зокрема, для зменшення втрат алгоритм полісінг вимагає збільшення пропускної здатності каналу, в результаті чого зменшується його використання (знижується утилізація), а алгоритм шейпінгу вносить затримки, може бути неприйнятним при обробці потоків реального часу. Програмний шлях поліпшення показників QoS полягає в використанні комбінацій базових дисциплін обслуговування черг на мережевому рівні і вдосконаленні алгоритму управління інформаційними потоками на базі WRR (Weighted Round Robin - зваженого механізму кругового обслуговування) в вузлах телекомунікаційних мереж, в тому числі на основі створення їх програмних аналогів. Таким чином, розширення спектра послуг, масштабування інфраструктури і обсяги трафіку, постійно зростають спонукають до вирішення наукової задачі поліпшення якості обслуговування потокового трафіку в мультисервісних мережах за рахунок вдосконалення методу адаптивного управління структурними параметрами вузла та розробки моделей віртуалізації мережевого пристрою.

2. Стандартизація якості обслуговування в мультисервісних телекомунікаційних мережах. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Якість обслуговування (QoS) активно досліджується і стандартизується протягом всієї історії розвитку галузі телекомунікацій. Величезний внесок у розвиток і вдосконалення різних принципів якості обслуговування вніс Міжнародний союз електрозв'язку (МСЕ). МСЕ розробив вимоги і норми до різних показників QoS, провів велику роботу по стандартизації численних мережевих пристроїв, що забезпечують необхідні показники QoS, а також формулюють основоположні поняття і визначення.

Мультисервісної мережею називають інфокомунікаційних структуру, в якій клієнт може отримувати кілька різних послуг з однієї абонентської лінії (набір різних сервісів):

• Інтернет - доступ до всесвітньої мережі, Web - сторінки, FTP (передача файлів), електронна пошта та ін.;

• VoIP - IP-телефонія, телефонний зв'язок на основі пакетної комутації;

• IPTV- Передача відеозображення по мережі IP.

Оскільки фізичний канал один, а вимоги послуг різні, то розподіл канального ресурсу між послугами є важливим завданням для забезпечення вимог QoS послуг. Серед стандартів, присвячених якості обслуговування в електрозв'язку, одне з центральних місць займає рекомендація МСЕ Е.800. У ній якість обслуговування визначається як «сумарний ефект робочих характеристик обслуговування, визначає ступінь задоволеності користувача цією службою» розширюючи концепцію якості обслуговування, відповідає рекомендації Е.800, рекомендація МСЕ G.1000 розділяє робочі характеристики обслуговування на функціональні компоненти і пов'язує їх з мережевими характеристиками, визначеними в ряді рекомендацій МСЕ - як I. 350, Y.1540 і Y.1541. На додаток до рекомендації МСЕ G.1000, що визначає структуру зв'язків між робочими характеристиками і характеристиками мережі, рекомендація МСЕ G.1010 містить специфікації вимог з боку додатків, орієнтованих на кінцевого користувача.

Якість обслуговування знайшло відображення у великій кількості статей і книг, серед яких відзначимо монографії. У класичних IP-мережах застосовується метод доставки, який повністю виключає як фізичну, так і віртуальну форму організації з'єднань. Даний метод заснований на розсилці пакетів-дейтаграм. А якість доставки пакетів в традиційних IP-мережах базується на принципі «кращої спроби» (Best effort). Зрозуміло, що такий підхід до обслуговування означає, що немає гарантії в доставці пакетів в правильному порядку, немає різниці між різними видами трафіку, і він буде доставлений в потрібний час або взагалі буде доставлений.

З появою нових додатків, в тому числі реального часу (інтерактивна передача мови, відеоконференції і відеотелефонія і ін.), Одним з найскладніших стає питання забезпечення гарантованого рівня якості обслуговування в мережах. Це пояснює, чому якість обслуговування в мережах IP залишається предметом постійної уваги МСЕ, ETSI, IETF і інших організацій стандартизації в електрозв'язку. В рамках робіт МСЕ по стандартизації якості обслуговування в IP-мережах передбачаються наступні етапи виконання завдання забезпечення якості обслуговування QoS для мереж, побудованих на базі протоколів IP:

• створення узгодженого загального набору робочих характеристик IP-мереж і норм для нього;

• впровадження мережевих механізмів, які будуть забезпечувати задані показники якості обслуговування в конфігурації «термінал-термінал»;

• вкладення нормованих значень показників якості обслуговування в протоколи сигналізації

2.1. Технології забезпечення QoS в системах з комутацією пакетів Технологія Best Effort Service

Технологія Integrated Service (IntServ)

Integrated Service (IntServ) - модель інтегрованого обслуговування. Може забезпечити наскрізну від краю до краю (End-to-End) якість обслуговування, гарантуючи необхідну пропускну здатність для різних потоків трафіку. IntServ застосовує для своїх цілей протокол сигналізації RSVP, який дозволяє додаткам висловлювати наскрізні вимоги до ресурсів і містить механізми забезпечення даних вимог. IntServ можна коротко охарактеризувати як резервування ресурсів (Resource reservation). Згідно з концепцією «Integrated Services» додатка можуть вибирати для своїх потоків даних будь-який з численних контрольованих рівнів якості обслуговування. Для цього в базових IP-сервісів додаються нові компоненти і механізми. обслуговування в реальному часі вимагає гарантій, і ці гарантії не можуть бути забезпечені без резервування. Протокол RSVP передбачає, що ресурси резервуються для кожного потоку, вимагає QoS на кожному проміжному маршрутизаторі на шляху від відправника до одержувача з використанням сигналізації «від краю до краю». Це, в свою чергу, вимагає зберігання на маршрутизаторах даних про стан кожного конкретного потоку і, як наслідок, має на увазі кардинальні зміни в загальній моделі Internet. Крім того, таке рішення пропонує спосіб передачі вимог додатка елементів мережі, розташованим вздовж шляху і обміну службовою інформацією QoS між мережевими елементами і програмою. Недоліки використання протоколу RSVP наступні:

• потрібен час на прокладку маршруту резервування, що може бути критичним в великих корпоративних і глобальних мережах;

• додаткове завантаження проміжних маршрутизаторів інформацією про характер переданого трафіку.

Технологія Differentiated Service (DiffServ)

Differentiated Service (DiffServ, RFC 2474/2475) - модель диференційованого обслуговування. Визначає забезпечення QoS на основі чітко визначених компонентів, комбінованих з метою надання необхідних послуг. Архітектура DiffServ припускає наявність класифікаторів і формувачів трафіку на кордоні мережі, а також підтримку функції розподілу ресурсів в ядрі мережі з метою забезпечення необхідної політики покрокового обслуговування (Per-Hop Behavior - PHB). DiffServ розділяє трафік на класи, вводячи кілька рівнів QoS, і складається з наступних функціональних блоків:

• граничні формувачі трафіку (класифікація пакетів, маркування, управління інтенсивністю)

• модулі реалізації PHB політики (розподіл ресурсів, політика відкидання

DiffServ можна коротко охарактеризувати як пріоритезацію трафіку (Prioritization). Механізми DiffServ удосконалює протокол IP з метою вирішення недоліків IntServ / RSVP і забезпечує масштабується виборче обслуговування в Internet без необхідності запам'ятовувати стан кожного потоку і підтримувати сигналізацію. На відміну від RSVP, в разі DiffServ відправник і одержувач обмінюються інформацією про вимоги до якості обслуговування, виключає тимчасові витрати на прокладку шляху, властиві RSVP.

Механізми DiffServ обмежуються лише встановленням відповідності між послугами та різними рівнями «чутливості» до затримок і втрат, тобто не мають справи з точними значеннями або гарантіями. Вони не розраховані на забезпечення того чи іншого рівня обслуговування. Замість цього вони намагаються забезпечити відносну упорядкування агрегованих потоків, так що з одним з них «звертатися краще», ніж з іншим, в залежності від певних правил обслуговування. Масштабованість архітектури DiffServ досягається за рахунок об'єднання класифікаційних ознак трафіку, при цьому інформація про тип трафіку передається в заголовку IP-датаграми. При цьому складні операції класифікації, маркування, визначення правил обслуговування та формування трафіку виконуються тільки на кордонах мережі або на хостах.

Перспективи гібридних технологій QoS

Застосовувані разом IntServ і DiffServ можуть сприяти впровадженню IP-телефонії, відео на вимогу і різних критично важливих для підприємств не мультимедійних додатків. IntServ дозволяє хостам питати конкретний обсяг ресурсів для кожного потоку і використовувати зворотний зв'язок для визначення можливості виконання запитів. DiffServ забезпечує масштабованість для великих корпоративних мереж. В даний час запропонована гібридна структура. Вона передбачає застосування моделі, в якій периферійні підмережі підтримують RSVP і IntServ. Ці підмережі пов'язані проміжними мережами DiffServ. Завдяки масштабованості мереж DiffServ дана модель дозволяє розширити діапазон дії мереж IntServ / RSVP. Проміжні мережі DiffServ виглядають для мереж IntServ / RSVP як одна транзитна ланка. Хости, підключені до периферійних мереж IntServ / RSVP, передають через мережі DiffServ запити один одному на резервування ресурсів для кожного потоку. Усередині периферійних мереж IntServ / RSVP застосовується стандартна обробка протоколів IntServ / RSVP, а сигнальні повідомлення RSVP передаються через мережі DiffServ прозорим чином. Пристрої на кордоні між мережами IntServ / RSVP і мережами DiffServ обробляють повідомлення RSVP і забезпечують вхідний контроль з урахуванням наявності ресурсів усередині мережі DiffServ.

Характеристики якості обслуговування потокових видів трафіку в телекомунікаційних IP мережах

У У рекомендації ITU Y.1540 визначені наступні мережеві характеристики, як найбільш важливі з точки зору ступеня їх впливу на якість обслуговування (пропускна здатність, надійність мережі / мережевих елементів, затримка (мс) і джиттера затримки, величина втрат (%), живучість - можливість збереження працездатності мережі при виході з ладу окремих елементів мережі) від одного інтерфейсу користувач-мережа User Network Interface (UNI) до іншого інтерфейсу користувач-мережа UNI) . p> пропускна здатність мережі (або швидкість передачі даних) визначається як ефективна швидкість передачі, яка вимірюється в бітах в секунду. В рекомендації ITU-T Y.1540 не наведено значення пропускної здатності для різних додатків; але, разом з тим, відзначено, що параметри, пов'язані з пропускною здатністю, можуть бути визначені за допомогою рекомендації ITU-T Y.1221.

надійність мережі / Мережевих елементів може визначатися рядом параметрів, з яких найчастіше використовується коефіцієнт готовності, що є відношенням часу працездатності об'єкта до часу спостереження. В ідеальному випадку коефіцієнт готовності повинен бути рівний 1, що означає 100% -ву готовність мережі.

В рекомендації МСЕ-T.1540 затримка є основним параметром, що характеризує доставку пакетів IP-мережі, і виражається через параметр затримки IPTD (IP packet transfer delay), який визначається як час доставки пакета між джерелом і одержувачем для всіх пакетів як успішних так і пакетів з з помилками. Зростання навантаження і зменшення доступних мережевих ресурсів ведуть до зростання черг у вузлах мережі і, як наслідок, до збільшення середньої затримки доставки.

параметр Vk - варіація затримки IP-пакета IP packet delay variation (IPDV) між вхідний. і вихідний точками мережі є відхиленням значень затримки від заданої величини. Варіація затримки пакета IP, звана також джиттера, проявляється в тому, що регулярно передані пакети прибувають до одержувача в нерегулярні моменти часу. У системах IP-телефонії це, наприклад, веде до спотворень звуку і, в результаті, до того, що мова стає нерозбірливою.

Коефіцієнт втрат IP-пакетів IP packet loss ratio (IPLR) визначається як відношення сумарного числа втрачених пакетів до загальної кількості переданих пакетів в обраному наборі переданих і прийнятих пакетів. Якщо пакети губляться, то при передачі даних можлива їх повторна передача по запиту приймаючої сторони.

2.3Методи оцінки якості надання послуг в мережах з неоднорідним вхідним потоком

Перераховані мережеві характеристики необхідні для побудови моделі якості послуг в IP-орієнтованих мережах, однак будучи технічними характеристиками, вони не відображають власне якості в розумінні користувача. Для того щоб модель надавала базу для взаємодії зі споживачами послуг, вона повинна також визначати технічні характеристики за допомогою призначених для користувача суб'єктивних оцінок, тобто повинна бути клієнтоорієнтована.

Для оцінки якості надання послуг використовують показник оцінки якості сприйняття послуг QoE (Quality of Experience), який прямо пропорційно залежить від показника якості надання сервісу QoS (Quality of Service). QoE - це суб'єктивна оцінка послуги на прикладному рівні користувачем, який користується послугою. QoS - це набір технологій мережевого і канального рівнів, використання яких дозволяють ефективно використовувати ресурси мережі, особливо при передачі потокових видів трафіку для забезпечення необхідного достатнього рівня QoE. Об'єктивні методи оцінки якості дозволяють виключити людини з процедури оцінки, а, отже, і легко автоматизуються. Об'єктивні методи діляться на активні і пасивні. В активних методах оцінки якості здійснюється шляхом порівняння еталонної послідовності (оригіналу) з послідовністю, яка була спотворена при передачі по мережі.

До активних методів належать:

• рекомендація ITU-T P.862 - PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality) - оцінка сприйняття якості передачі мови.

• рекомендація ITU-T BS.1387 - PEAQ (Perceptual Evaluation of Audio Quality) - оцінка сприйняття якості передачі аудіо.

• рекомендація ITU-T J.247 - PEVQ (Perceptual Evaluation of Video Quality) - оцінка сприйняття якості передачі відео.

До пасивних методів належать:

• рекомендація ITU-T P.563 - PSQM (Perceptual Speech Quality Measurement) алгоритм пасивного моніторингу для оцінки якості мовної зв

• рекомендація ITU-T G.107 E-model оцінює якість мовної зв'язку за допомогою R-фактора.

• рекомендації ITU-T G.1030 G.1040 оцінювання якості передачі даних.

Найпростішим варіантом оцінки параметра QoE може служити оцінка MOS. Ця оцінка є середнім значенням оцінок кількох спостережень, отриманих на основі використання методики ITU-T з використанням п'ятибальною системи. Для оцінки QoE оцінюють такі параметри: час встановлення з'єднання; час реакції на виконання команди; завмирання зображення розбиття зображення синхронізацію зображення і голоси; чіткість і розбірливість звуку. Однак модель MOS не враховує ряд явищ, типових для пакетних мереж, що впливають на якість послуги. У моделі MOS відсутня можливість кількісно врахувати вплив факторів на якість мови. Крім того, модель MOS представляє оцінку якості в однобічному з'єднанні, а не в двох напрямках реального з'єднання. Все це вимагало розробки нових моделей і методів оцінки якості передачі даних, що враховують особливості пакетних мереж. Важливим фактором також є те, що різний тип трафіку по-різному впливає на уявлення абонента про якість наданої послуги доступу в мережу Інтернет, і тому завдання визначення та управління різних типів трафіку з позиції їх впливу на враження абонента є актуальною і пріоритетним завданням для операторів телекомунікаційних мереж.

Вимірювання трафіку IPTV, як і всього трафіку відеопотоків, показують, що він має тенденцію до експоненціального зростання і починає конкурувати з трафіком від традиційних додатків в IP- мережах в боротьбі за мережеві ресурси. Довгий час в якості основних методів оцінки якості IPTV розглядалися тільки суб'єктивні методи оцінки якості передачі відео, однак, їх широке використання в процесі експлуатації послуг IPTV не представляється можливим на увазі складності проведення тестів (необхідність постійно утримувати групу або групи експертів). Тому останнім часом великої популярності набули методи об'єктивної оцінки, засновані на зборі та аналізі мережевих характеристик. Але і їх не можна назвати універсальними і здатними точно оцінити з якою якістю передається відео, оскільки більшість таких методів не враховує характеристик відеопослуг. Тому сьогодні існує досить велика кількість різних методів оцінки якості IPTV як суб'єктивних, так і об'єктивних які потребують вдосконалення.

3. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Метою представленої дисертаційної роботи є підвищення якості обслуговування потокового трафіку в мультисервісної мережі на основі динамічного управління параметрами віртуальних мережевих вузлів і гнучкого розподілу обчислювальних ресурсів маршрутизатора.

Досягнення поставленої мети здійснюється вирішенням наступних завдань:

  1. 1. Аналіз сучасних рішень щодо забезпечення гарантованої якості обслуговування в мультисервісних телекомунікаційних мережах.
  2. 2. Розробка моделі статичної та динамічної віртуалізації обчислювальних ресурсів мережевого пристрою.
  3. 3. Розробка аналітичної моделі маршрутизатора з виртуализацией
  4. 4. Розробка методу адаптивного управління структурними параметрами віртуальних маршрутизаторів.
  5. 5. Розробка імітаційної моделі маршрутизатора з виртуализацией і без віртуалізації ресурсів для оцінки ефективності роботи мережевого пристрою в умовах передачі мультіпотокового трафіку.
  6. 6. Розробка моделі програмного маршрутизатора з модульною структурою і автоматичним розгортанням віртуальних вузлів з наданням необхідних ресурсів і з проведенням контролю за характеристиками продуктивності.
  7. 7. Оцінювання параметрів якості обслуговування потокового трафіку на основі запропонованого програмно-апаратного рішення в маршрутизаторах з підтримкою віртуалізації.

    3.Научная новизна роботи

    Новизна роботи полягає в тому, що:

  8. 1. Вперше запропоновано структурно-функціональну модель мережевого пристрою з динамічної виртуализацией обчислювальних ресурсів, яка дозволяє описати процес віртуалізації маршрутизаторів з взаємної оптимізацією заданого рівня параметрів якості обслуговування для певних типів сервісу.
  9. 2. Вперше запропоновано математичну модель процесів функціонування мережевого пристрою з віртуальними маршрутизаторами, яка на відміну від відомих дозволяє значно знизити взаємний параметричний вплив різних видів трафіку в процесі передачі по мережі і оцінити якість обслуговування за допомогою декомпозиції структури мережевого вузла і подальшого математичного моделювання на основі теорії систем і мереж масового обслуговування.
  10. 3. Удосконалено метод адаптивного управління структурними параметрами віртуальних маршрутизаторів, який дозволив на основі розробленої програмної моделі динамічної віртуалізації ресурсів маршрутизатора оцінити і поліпшити параметри якості обслуговування інформаційного трафіку в мультисервісної мережі.
  11. 4. Отримала подальший розвиток програмна модель маршрутизатора, новизна якої полягає в тому, що в ній на відміну від раніше відомих моделей є можливість визначити віртуальні аналоги апаратних маршрутизаторів з мінімальним необхідним обсягом мережевих ресурсів для забезпечення заданого рівня якості обслуговування, що дозволяє знизити часові параметри QoS потокового трафіку , забезпечуючи підтвердження точності їх оцінки.

    3.1 Об'єкт дослідження

    об'єкт дослідження - процес обслуговування потокового трафіку мультисервісної телекомунікаційної мережі із забезпеченням якості обслуговування.

    3.2 Предмет дослідження

    Предмет дослідження - моделі і методи підвищення якості обслуговування потокового трафіку в мультисервісних мережах.

    3.3 Методи дослідження

    Методи дослідження. У роботі знайшли своє застосування теорія систем і мереж масового обслуговування, аналітичні, імітаційні методи дослідження, а також методи натурного експерименту. .

    Висновки

    В рамках проведених досліджень виконано:

    1. 1. В роботі проаналізовано основні моделі забезпечення якості обслуговування в мультисервісних телекомунікаційних мережах. Проведено аналіз основних параметрів, що характеризують QoS в IP - мережах, які є базовими при наданні послуг абоненту в мультисервісної мережі та технологій за допомогою яких в сучасних пакетних мережах реалізуються методи забезпечення гарантованої якості обслуговування для передачі мультимедійного трафіку ..

    2. 2. Проведено аналіз факторів, що визначають ефективність інформаційно-телекомунікаційної мережі і використання мережевих ресурсів, а також застосуванні для управління телекомунікаційною мережею методи і математичні моделі. Показано, що сучасні методи управління потоками даних, хоча і забезпечують збалансоване навантаження ресурсів мережі, однак не враховують деякі фактори, що зумовлюють флуктуаційний характер мережевого трафіку.

    Список джерел

    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