СПОСОБ ОБСЛУЖИВАНИЯ РАЗНОПРИОРИТЕТНЫХ ПАКЕТОВ В МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЯХ Российский патент 2013 года по МПК H04L12/875 

Предлагаемое изобретение относится к области мультисервисных сетей, в частности к способу организации порядка обслуживания пакетов данных находящихся в буфере очереди, с одним узлом коммутации.

Известны способы-аналоги организации обслуживания пакетов (В.Г. Олифер, Н.А. Олифер Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для ВУЗов. 3-е изд. - СПб.: Питер, 2009. - 958 с.: ил.; патент РФ №2335085 «Способ организации и управления передачей пакета данных и устройство для его реализации», 27.09.2008 г.; патент РФ №2179737 «Способ обслуживания разноприоритетных запросов абонентов вычислительной системы и устройство, его реализующее», 20.02.2002 г.), предусматривающие разделение всего графика на небольшое количество классов с назначением каждому классу некоторого числового признака - приоритета. Разделение на классы (классификация) может производиться разными способами.

Известные способы-аналоги не учитывают допустимое время нахождения пакета в очереди, следствием чего является высокая вероятность потери низкоприоритетных пакетов в результате их несвоевременного обслуживания.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и выбранным в качестве прототипа является способ, реализованный в устройстве для обслуживания запросов (патент РФ №2140666 «Способ обслуживания запросов пользователей вычислительной системы и устройство его реализующее», 27.10.1999 г.), заключающийся в том, что формируют коды максимального времени ожидания обслуживания запроса (Т_ож.i), где i=1, 2, …, N - соответствующий номер приоритета i-го абонента, а N - общее число абонентов, и запоминают их. Формирование кодов осуществляется по правилу:

T_ож.i=t_доп.i-t_зап.i,

где t_доп.i - допустимое время пребывания запроса i-го абонента в вычислительной системе, по истечении которого запрос теряет актуальность или данный абонент несет определенные убытки;

t_зап.i - некоторый запас времени, определяемый издержками обслуживания.

Время t_доп.i для каждого запроса известно и определяется нормативными документами. Величина запаса времени t_зап.i определяется на основе статистической оценки характеристик данной вычислительной системы. Затем формируют сигналы запросов и организуют из сигналов запросов очередь второго порядка в соответствии с номерами приоритетов абонентов. Запросы из очереди второго порядка, достигшие максимального времени ожидания, переносят в очередь первого порядка на позиции, соответствующие номерам их приоритетов. Последовательно обслуживают запросы из очереди первого порядка в соответствии с возрастанием номеров их приоритетов, а при отсутствии запросов в очереди первого порядка, обслуживают запросы из очереди второго порядка.

Способ-прототип учитывает максимальное время нахождения запросов в очереди второго порядка, а также приоритет запросов при переносе их в очередь первого порядка, чем обеспечивает высокую вероятность их своевременного обслуживания.

Однако способ-прототип имеет следующие недостатки.

1. Обеспечивает невысокую вероятность своевременного обслуживания низкоприоритетных запросов вследствие того, что время нахождения пакетов в очереди определяется с учетом статистической оценки характеристик системы t_зап.i, а не фактически. Данное время может оказаться существенным, что снизит качество обслуживания запросов сервисов реального времени (on-line).

2. Не учитывает влияния на качество обслуживания разноприоритетных запросов времени задержки и потерь. Существуют сервисы (например, передача данных), для которых потеря пакета оказывает более существенное влияние на качество обслуживания, при этом к задержкам пакеты данного сервиса не так требовательны (хотя и для них существует определенный порог). Другие сервисы (передача речи) в большей степени требовательны к задержке прибытия пакета, чем к его потере. Данный недостаток присущ способу-прототипу вследствие того, что не учитываются особенности типов передаваемых данных и предоставляемых сервисов.

Рост требований абонентов к перечню и качеству инфокоммуникационных услуг требует гибкой системы обслуживания. В зависимости от интересов конкретного абонента (группы абонентов), обслуживаемых узлом коммутации предпочтения в процессе пользования услугами мультисервисной сети могут меняться, а соответственно могут меняться и соотношения различных видов графика (передача речи, передача видео, передача данных и т.д.). В связи с этим целесообразно иметь гибкую систему формирования очереди, способную адекватно соответствовать потребностям потребителей и эффективно использовать доступный ресурс.

Задачей изобретения является разработка способа обслуживания разноприоритетных пакетов в мультисервисных сетях, повышающего качество обслуживания разноприоритетных пакетов за счет повышения коэффициента обслуживания.

Коэффициент обслуживания пакетов - это отношение интенсивности поступления пакетов к интенсивности обслуживания пакетов.

В способе обслуживания разноприоритетных пакетов в мультисервисных сетях увеличение коэффициента обслуживания пакетов происходят за счет:

- повышения вероятности своевременного обслуживания низкоприоритетных пакетов;

- снижения потерь пакетов из-за превышения тайм-аута.

Кроме того, способ обслуживания разноприоритетных пакетов в мультисервисных сетях:

- повышает эффективность использования канала связи за счет уменьшения случаев повторной передачи;

- повышает качество обслуживания за счет учета требований разноприоритетных пакетов к задержке и потерям.

Задача изобретения решается способом обслуживания разноприоритетных пакетов в мультисервисных сетях, заключающимся в том, что формируют коды максимального времени ожидания (КМВО) обслуживания пакетов (Т_ож.i) и запоминают их. Последовательно обслуживают пакеты. При формировании кодов максимального времени ожидания дополнительно учитывается вид сервиса (j), которому принадлежит пакет. При поступлении пакета запускают таймер, учитывающий время нахождения запроса в очереди. КМВО определяют по формуле:

T_ож.i=η_j(min(t_доп.j,t_доп.i)-t_ij),

где i=1, 2, …, N - соответствующий номер приоритета i-го пакета;

N - общее число пакетов;

j=1, 2, …, К - номер сервиса мультисервисной сети;

К - общее число сервисов мультисервисной сети;

η_j - весовой коэффициент для j-го сервиса, который учитывает влияние потерь на качество обслуживания пакетов j-го сервиса, который определяют заранее и запоминают. Весовой коэффициент может определяться различными методами.

1. По формуле:

η_j=К_пj/100,

где К_пj - вероятность потерь пакетов j-го сервиса в процентах (определяется нормативными документами);

2. С использованием экспертной оценки (опроса мнений) в соответствии с рекомендацией ITU-T E.432;

3. Статистическими методами.

t_доп.i - допустимое время пребывания i-го пакета в вычислительной системе, по истечении которого пакет теряет актуальность или абонент несет убытки;

t_доп.j - требования ко времени задержки пакета j-го сервиса в мультисервисной сети, установленные нормативными документами;

t_ij - время нахождения пакета в очереди, для каждого пакета определяется таймером, запускаемым в момент поступления.

Запросы обслуживаются в последовательности возрастания КМВО.

Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата за счет того, что в соответствии с индивидуальными характеристиками пакета (допустимым временем пребывания в системе или временем жизни для пакета) и типом графика (сервиса мультисервисной сети) формируется очередь обслуживания пакетов, выборка из которой осуществляется с учетом времени прибытия пакета.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа обслуживания разноприоритетных пакетов в мультисервисных сетях, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ с достижением указанного в изобретении назначения.

Заявленные объекты изобретения поясняются чертежами, на которых:

на фиг.1 показан алгоритм обслуживания разноприоритетных пакетов в мультисервисных сетях, соответствующий заявленному способу;

на фиг.2 - зависимость коэффициента обслуживания от загруженности;

на фиг.3 - порядок формирования очереди пакетов способом-прототипом (графическое пояснение к примеру);

на фиг.4 - порядок формирования очереди пакетов заявленным способом (графическое пояснение к примеру).

Реализация заявленного способа заключается в следующем (фиг.1). Определяют тип графика (сервиса) j, приоритет i, а также время прибытия каждого запроса (пакета) поступающего на вход системы обслуживания. В соответствии с весовым коэффициентом сервиса η_j вычисляют код максимального времени ожидания: T_ож.i=η_j(min(t_доп.i,t_доп.i)-t_ij), причем уменьшаемым является наименьшая из величин, определяемых стандартами или пришедшим пакетом (t_доп.j и t_доп.i соответственно). В соответствии с КМВО формируют очередь пакетов. В соответствии со сформированной очередью предоставляют ресурс для обслуживания пакетов.

Заявленный способ обслуживания разноприоритетных пакетов в мультисервисных сетях обеспечивает высокую вероятность обслуживания низкоприоритетных пакетов за счет учета максимального времени ожидания обслуживания пакетов в очереди, уменьшения времени нахождения в очереди пакетов критичных к задержкам, снижения потерь пакетов из-за превышения тайм-аута; повышение эффективности использования канала связи за счет уменьшения случаев повторной передачи; повышение качества обслуживания за счет учета требовательности разноприоритетных пакетов к задержке и потерям.

Правомерность теоретических предпосылок проверялась с помощью модели системы массового обслуживания мультисервисной сети при следующих условиях:

- число пакетов N=10¹⁰;

- количество возможных сервисов J=6;

- скорость обслуживания V=72817 пакетов/с;

- весовые коэффициенты сервисов η₁=0,5, η₂=0,65, η₃=0,73, η₄=0,85, η₅=0,87, η₆=0,9;

- допустимое время пребывания запросов первого и второго сервисов в 30% случаев (t_доп.i): t_доп.1=120 мс, t_доп.2=70 мс, в остальных случаях минимальным считать параметр t_доп.j,

- время задержки пакета в мультисервисной сети (t_доп.j): t_доп.1=250 мс, t_доп.2=200 мс, t_доп.3=50 мс, t_доп.4=140 мс, t_доп.5=390 мс, t_доп.6=570 мс;

- запас времени на издержки обслуживания (t_зап.i): t_зап.1=t_зап.5=t_зап.3=10 мс, t_зап.2=7 мс, t_зап.4=t_зап.6=25 мс;

- длина буфера очереди - 876 запросов;

- время жизни t_ж=4 с.

При моделировании справедливо полагать, что приоритеты абонентов в способе-прототипе есть приоритеты пакетов соответствующих типов сервиса.

Результаты моделирования приведены на фиг.2, где представлены зависимости коэффициента обслуживания от загруженности для способа прототипа и заявленного способа. Наличие перегиба объясняется ограничением скорости обслуживания (V - const.).

Из приведенных данных следует, что после оптимизации правила формирования очереди пакетов, обслуживаемых мультисервисной сетью вероятности обслуживания разноприоритетных пакетов (кривые 1 и 2), и в том числе низкоприоритетных пакетов (кривые 3 и 4) возросли. Указанный результат достигнут для всех рассматриваемых ситуаций, что указывает на возможность достижения заявленного технического результата.

Различие в функционировании прототипа и заявленного способа целесообразно представить на примере формировании очереди, представленном на фиг.3, фиг.4. В качестве исходных данных использованы условия моделирования, приведенные выше. Для наглядности ограничим длину буфера 6 пакетами, в связи с этим скорость обслуживания будем полагать V=100 пакетов/с. Пусть на систему обслуживания поступает поток пакетов в следующем порядке: пакет первого сервиса с истекающим сроком жизни (1п), второго с истекающим сроком жизни (2п), третьего, второго, первого с истекающим сроком жизни, первого, четвертого, второго с истекающим сроком жизни, четвертого.

Ситуация 1: формирование очереди способом-прототипом (фиг.3). Вычисляют КМВО принятых пакетов. Очередь первого порядка будет разбита на иерархичную очередь второго порядка, состоящую из трех очередей с одним приоритетом. Сначала происходит ранжирование в подочередях второго порядка по минимальному КМВО. С учетом КМВО и ранжирования по приоритету пакеты будут обслужены, как представлено на фиг.3, при этом пакет с низшим приоритетом будет потерян по причине превышения временем задержки времени жизни пакета (каждый такт на фигуре 3 отмечен стрелкой, по условиям примера составляет 10 мс). Причем способ-прототип не учитывает максимального времени обработки пакета, поэтому в данном случае фактически не 4 вида приоритета, а шесть.

Ситуация 2: формирование очереди заявленным способом (фиг.4). Вычисляют КМВО с учетом весовых коэффициентов и максимально допустимого времени нахождения пакета в системе. После вычисления КМВО и ранжирования по приоритету пакеты будут обслужены, как представлено на фиг.4, при этом пакет с низшим приоритетом будет обслужен вне приоритетной очереди, так как его КМВО окажется меньше. В данном случае приоритет условен и определяется весовыми коэффициентами.

Приведенные примеры наглядно иллюстрируют эффект от применения способа обслуживания разноприоритетных пакетов в мультисервисных сетях.

Изобретения относятся к способу организации порядка обслуживания пакетов данных, находящихся в буфере очереди, с одним узлом коммутации. Технический результат заключается в повышении вероятности своевременного обслуживания низкоприоритетных пакетов, снижении потерь пакетов из-за превышения тайм-аута; уменьшении случаев повторной передачи. Используют коды максимального времени ожидания (КМВО) обслуживания пакетов (T_oж.i), при формировании которых учитывается вид сервиса (j), которому принадлежит пакет, время нахождения пакета в очереди. КМВО определяют по формуле: Т_ож.i=η_j(min(t_доп.j,t_доп.i)-t_ij), где i=1, 2, …, N - соответствующий номер приоритета i-го пакета; N - общее число пакетов; j=1, 2, …, K - номер сервиса мультисервисной сети; К - общее число сервисов мультисервисной сети; η_j - весовой коэффициент для j-го сервиса; t_доп.i - допустимое время пребывания i-го пакета в вычислительной системе; t_доп.j - требования ко времени задержки пакета j-го сервиса в мультисервисной сети; t_ij - время нахождения пакета в очереди. 4 ил.

Способ обслуживания разноприоритетных пакетов в мультисервисных сетях, заключающийся в том, что формируют коды максимального времени ожидания (КМВО) обслуживания пакетов (Т_ож.i) и запоминают их, последовательно обслуживают пакеты, отличающийся тем, что при формировании КМВО учитывают вид сервиса (j), которому принадлежит пакет, при поступлении каждого пакета запускают таймер, учитывающий время нахождения пакета в очереди, КМВО определяют по формуле
Т_ож.i=η_j(min(t_доп.j,t_доп.i)-t_ij),
где i=1, 2, …, N - соответствующий номер приоритета i-го пакета;
N - общее число пакетов;
j=1, 2, …, К - номер сервиса мультисервисной сети;
К - общее число сервисов мультисервисной сети;
η_j - весовой коэффициент для j-го сервиса, который учитывает влияние потерь на качество обслуживания j-го сервиса, который определяют заранее и запоминают, весовой коэффициент определяют различными методами:
по формуле
η_j=K_пj/100,
где K_пj - допустимая вероятность потерь пакетов j-го сервиса, % (определяется нормативными документами);
с использованием экспертной оценки (опроса мнений) в соответствии с рекомендацией ITU-T E.432;
статистическими методами;
t_доп.i - допустимое время пребывания i-го пакета в вычислительной системе, по истечении которого пакет теряет актуальность или абонент несет убытки;
t_доп.j - требования ко времени задержки пакета j-го сервиса в мультисервисной сети, установленные нормативными документами;
t_ij - время нахождения пакета в очереди, запросы обслуживают в последовательности возрастания КМВО.