Изобретение относится к области управления потоком или управления перегрузкой каналов связи при передаче агрегированного трафика и может быть использовано для обеспечения соблюдения требований к задержке с учетом показателя Харста каждого подпотока (микропотока), входящего в состав агрегата.
Данное техническое решение в первую очередь предназначено для динамического адаптивного резервирования требующихся ресурсов пропускной способности с учетом фрактальности микропотоков составляющих агрегат.
Большинство известных систем передачи агрегированного телекоммуникационного трафика строится на основе классической теории массового обслуживания, основанной на моделях Эрланга и Марковских/полумарковских процессах. Это означает, что трафик является стационарным, пуассоновским и не обладает памятью. Вопреки этому, современные исследования показали, что телекоммуникационный трафик является фрактальным, а в большинстве случаев нестационарным. Данные свойства трафика приводят к тому, что применяемые математические модели и механизмы резервирования и распределения пропускной способности неадекватны реальному входному потоку.
Это обуславливает необходимость использования при обеспечении качества обслуживания агрегированного входного потока технических решений способных учитывать при функционировании телекоммуникационных сетей фрактальную природу каждого из микропотоков входящих в состав агрегата.
Анализ современных магистральных каналов связи показал, что агрегированный телекоммуникационный трафик передается без учета индивидуальных фрактальных свойств, составляющих его микропотоков, а резервирование ресурсов осуществляется для пиковой или средней скорости всего агрегированного потока в целом. При этом характеристики агрегированного потока сложно прогнозируемы при аномальных всплесках нагрузки, которые являются неотъемлемой особенностью современных каналов передачи данных.
Известен Способ динамического резервирования и распределения пропускной способности каналов в спутниковой сети и устройство его реализующее (патент: RU №2614983, 2017).
Сущность данного способа заключается в следующем.
Для каждого активного спутникового терминала изменяют скорость поступающего трафика пакетных данных и заполненность входного буфера спутникового терминала, определяют оптимальное значение уровня квантиля для прогнозных значений скорости поступления пакетных данных в буфер спутникового терминала на один, два и три цикла передачи вперед, формируют запрос динамического резервирования пропускной способности с учетом требований QoS, исходя из заполненности входного буфера и сформированных на предыдущих циклах передачи запросах, а также данных прогноза скорости поступления пакетного трафика, выполненного с учетом уровня квантиля, характеризующего избыточность резервирования, отправляют сформированные запросы на центральную станцию сети, центральная станция пересчитывает запрашиваемый терминалом объем пропускной способности в количество временных слотов, которые выделяются терминалам.
При этом в каждом активном спутниковом терминале выполняют классификацию трафика по дисциплине обслуживания и типу резервирования (CRA, RBDC, VBDC).
Для первоначальных запросов определяют долгосрочный статистический профиль поступающего агрегированного трафика, определяют краткосрочный статистический профиль агрегированного трафика, определяют параметры измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии битовой скорости поступающего пользовательского трафика, а именно период измерения, величину шага квантования диапазона значений скорости, измеряют на выбранном периоде выборочное среднее и выборочную дисперсию скорости поступающего пользовательского трафика.
Определяют параметры прогнозируемой динамики условного среднего и дисперсии условного среднего битовой скорости, а именно коэффициенты регрессии и скользящего среднего, исходя из краткосрочного статистического профиля трафика, ожидаемого времени инерционности резервирования и распределения, прогнозируют значения условного среднего и дисперсии условного среднего битовой скорости поступающего на вход спутникового терминала трафика.
Формируют и отправляют на центральную станцию запрос на выделение пропускной способности с информацией о прогнозируемом статистическом профиле трафика и параметрах резервирования, на центральной станции, учитывая статистические профили трафика, формируют частотно временной план передачи, определяют оптимальное значение длительности временных слотов для спутниковых каналов сети на один цикл передачи, отправляют терминалам частотно-временные планы.
Способ-аналог имеет следующие недостатки.
1. Не используют фрактальный анализ пульсирующей структуры телекоммуникационного трафика, что приводит к неспособности обеспечить качество обслуживания при сильных пульсациях.
2. Не учитывают статистические характеристики каждого микропотока входящего в состав агрегата, что делает прогноз требуемой для резервирования пропускной способности неточным.
3. Не учитывают возможную нестационарность передаваемых потоков данных, которая приводит к неадекватности применяемой для прогнозирования объема трафика математической модели.
4. Не анализируют заполненность входных буферов для определения момента начала перегрузки.
Из уровня техники известен Способ динамического распределения производительности при обработке фрактального трафика реального времени с использованием попарного агрегирования слабо-коррелируемых потоков (патент: RU №2790552, 2023).
Сущность данного способа-аналога заключается в следующем:
начинают передачу входного потока на анализатор фрактальности и корреляционных связей;
начинают определение фрактальности и корреляционных связей для всех входных подпотоков (микропотоков) в составе общего входного потока в анализаторе фрактальности и корреляционных связей;
передают агрегированный пакетированный поток в устройство обработки в соответствии со схемой коммутации, сформированной в планировщике обслуживания;
обрабатывают агрегированный поток пакетов, используя всю производительность устройства обработки;
передают успешно обслуженные пакеты из устройства обработки на выходной интерфейс;
запрашивают данные о корреляционных связях входных подпотоков (микропотоков) и мере их фрактальности из анализатора фрактальности и корреляционных связей в планировщик дообслуживания;
передают пакеты, получившие первичный отказ в обслуживании из-за занятости всех обслуживающих устройств, выделенных под обработку агрегированного потока, которому они принадлежат, из планировщика дообслуживания на повторное обслуживание в планировщик обслуживания в подпоток (микропоток) с наименьшей корреляционной связью с подпотоком (микропотоком), которому принадлежит добслуживаемый пакет;
передают текущее значение показателя Харста, оценку среднеквадратического отклонения скорости входного потока, количество принятых пакетов для всех входных подпотоков (микропотоков) и значения коэффициента корреляции для всех возможных пар входных потоков из анализатора фрактальности и корреляционных связей в планировщик обслуживания;
производят попарное агрегирование входных подпотоков (микропотоков) в планировщике обслуживания по критерию наименьшего значения коэффициента корреляции и не задействуют в агрегировании один из подпотоков (микропотоков) при их нечетном общем количестве;
распределяют в планировщике обслуживания всю имеющуюся производительность по агрегированным потокам пропорционально их максимальному всплеску, посредством построения схемы коммутации с устройством обработки;
продолжают обработку агрегированных потоков в соответствии со схемой распределения обслуживающих устройств, полученной в планировщике обслуживания;
изменяют схему попарного агрегирования входных подпотоков (микропотоков) и схему распределения обслуживающих устройств по агрегатам в планировщике обслуживания в случае пропадания или появления подпотока (микропотока), а также при изменении коэффициента корреляции для любой возможной пары агрегирования на величину более 0.1.
Способ-аналог имеет следующие недостатки.
1. Не учитывают при оценке требуемой производительности наличие или отсутствие стационарности входного потока.
2. Производят только попарное агрегирование.
3. Производят дообслуживание в подпотоках других классов обслуживания влекущее переход всей системы в нестационарное состояние и неадекватность применяемых математических моделей.
4. Не производят резервирование требуемой производительности.
5. Не анализируют заполненность входных буферов для определения момента начала перегрузки.
Таким образом аналог не позволяет сохранить стационарность обслуживаемых потоков (микропотоков) и обеспечить адекватность используемых математических моделей, что приводит к недооценке требуемых ресурсов и лавинообразному нарастанию перегрузки.
При этом, использование только попарного агрегирования уменьшает преимущества сглаживания, приобретаемые при множественном агрегировании за счет статистического мультиплексирования.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа является Способ повышения качества передачи фрактального телекоммуникационного трафика (патент: RU №2677373, 2019).
Сущность данного способа-прототипа заключается в следующем.
В режиме реального времени производят вычисление оптимальных значений параметров маршрутизатора отвечающих за обеспечение качества обслуживания, выделяемое время процессора и размер буфера. Для этого: сниффером считывают параметры телекоммуникационного трафика и формируют таблицы данных о времени прихода пакета, адресе отправителя и размере пакета; в анализаторе фрактальности производят определение показателя Харста; вычисляют оптимальные значения объема буфера и интенсивности обслуживания для каждой очереди в маршрутизаторе, при этом используют модели обслуживания самоподобного телекоммуникационного трафика; производят имитационное моделирование работы маршрутизатора в ускоренном режиме при обработке сгенерированного трафика с показателем Харста соответствующим измеренному; сравнивают показатели качества обслуживания, полученные в имитационной модели, с заданными в качестве требуемых оператором; корректируют параметры очередей для каждого типа трафика и параметры математической модели обслуживания фрактального трафика, вычисляющей значения показателей качества обслуживания через значение показателя Харста; изменяют параметры маршрутизатора на основе полученных математической моделью значений объема буфера и интенсивности обслуживания.
Способ-прототип имеет следующие недостатки.
1. Не учитывают при оценке требуемой производительности наличие или отсутствие стационарности входного потока.
2. Не производят разделение агрегированных потоков на группы потоков с равным показателем Харста при оценке требуемой для резервирования производительности.
3. Используют имитационное моделирование, требующее значительных вычислительных и временных ресурсов.
4. Не производят резервирование требуемой производительности на всем маршруте следования потока.
5. Не анализируют заполненность входных буферов для определения момента начала перегрузки.
6. Не обеспечивают возможность автоматического перерезервирования пропускной способности в случаях изменения входной нагрузки или начале перегрузки.
Способ-прототип не позволяет в автоматическом режиме адаптироваться под статистические характеристики трафика с учетом индивидуальных свойств каждого микропотока входящего в состав обслуживаемого агрегата.
Технический результат предлагаемого способа заключается в снижении задержки обслуживания фрактального пакетированного трафика за счет адаптивного резервирования выделяемой пропускной способности с учетом фрактальности микропотоков участвующих в агрегировании и исключения опустошения буфера и превышения его уровнем максимального значения, предполагающего задержку неудовлетворяющую требованиям по качеству обслуживания.
Задача, которую решает предлагаемый способ, заключается в обеспечении требуемого качества обслуживания при передаче фрактального агрегированного пакетированного трафика, за счет резервирования требуемых ресурсов пропускной способности для агрегированного потока разбитого на подгруппы с учетом меры фрактальности составляющих его микропотоков.
Функционирование изобретения поясняется следующими графическими материалами:
Фиг. 1 - функциональная схема Способа резервирования пропускной способности для агрегированного фрактального трафика с адаптацией к текущей нагрузке.
На фигуре 1 представлена функциональная схема Способа резервирования пропускной способности для агрегированного фрактального трафика с адаптацией к текущей нагрузке, которая включает следующие элементы:
1. Входной агрегированный пакетированный трафик.
2. Сервер статистического анализа.
3. Сервер управления резервированием.
4. Получатель агрегированного пакетированного потока.
Для решения заявленной задачи предлагается Способ резервирования пропускной способности для агрегированного фрактального трафика с адаптацией к текущей нагрузке, заключающийся в том, что:
1. Передают входной поток 1 через сервер 2 статистического анализа получателю информации 4.
2. Определяют на сервере 2 статистического анализа показатель Харста, оценку математического ожидания и дисперсии для случайного объема входных данных всех микропотоков в составе входного потока, причем под микропотоком понимают поток, отличающий по типу трафика (видео, голос, передача данных и т.д.) или адресу отправителя и получателя.
Определение показателя Харста реализуют специализированным программным обеспечением (Белов П.Ю., Белов К.Ю., Полоус А.И., Клименко В.В. Программа анализа фрактальности реального информационного трафика (ПАФРИТ). Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2014613976 от 14.04.2014 г.).
3. Передают значения показателя Харста, оценку математического ожидания и дисперсии для случайного объема входных данных для каждого микропотока, входящего в состав агрегата, на сервер 3 управления резервированием.
4. Задают на сервере 3 управления резервированием порог на инициирование адаптации по изменению показателя Харста, оценки математического ожидания и дисперсии для случайного объема входных данных, а также требование по величине максимальной задержки.
5. Разделяют потоки по группам с равными значениями показателя Харста с учетом отклонения на величину не превышающую порог на инициирование адаптации по изменению показателя Харста.
6. Вычисляют требуемую для резервирования пропускную способность, используя математическую модель агрегирования фрактального потока, для каждой группы потоков с равными значениями показателя Харста в отдельности.
Математическая модель агрегирования фрактального потока может быть описана следующим образом.
Из теории самоподобных процессов, известна математическая модель масштабирования по времени фрактального процесса, которая в контексте передачи телекоммуникационного трафика может быть представлена следующим образом:
где Н - показатель Харста телекоммуникационного трафика, а - масштабный коэффициент, х(-) - объем трафика поступивший за время (⋅).
Будем рассуждать следующим образом.
Представим объем трафика x(t), потупивший в систему за время t через скорость передачи данных:
где 
- средняя скорость телекоммуникационного трафика.
Очевидно, что для объединения потоков справедливо выражение вида:
где х1(t), x2[t), …, xn(t) - объем трафика поступивший за время t для каждого из n потоков участвующих в агрегировании, а 
соответствующие им скорости поступления данных.
Проведем элементарные алгебраические преобразования правой части выражения (3), показав насколько суммарная средняя скорость всех потоков будет превосходить скорость первого потока. В результате выражение (3) примет вид:
Если предположить, что потоки х1, х2, …, xn, имеют одинаковый показатель Харста Н, то 
можно рассматривать как масштабный коэффициент по времени для первого потока. Таким образом, с учетом выражения (2), справедлива математическая модель агрегирования фрактального потока
Если аналогично выражению (2) представить левую часть выражения (5) как 
то скорость поступления данных для агрегированного потока, а следовательно и требуемая для резервирования пропускная способность, после элементарных алгебраических преобразований (5), может быть описана выражением вида:
7. Суммируют вычисленные требуемые для резервирования пропускные способности по всем группам потоков с равными значениями показателя Харста.
8. Отправляют с сервера 3 управления резервированием запрос на резервирование пропускной способности, равной вычисленной требуемой для резервирования пропускной способности, на все промежуточные телекоммуникационные узлы на маршруте следования потока к получателю 4.
9. Получают на сервере 3 управления резервированием ответы о возможности резервирования пропускной способности от всех промежуточных узлов на маршруте следования потока к получателю 4.
10. Отправляют с сервера 3 управления резервированием команду на резервирование пропускной способности, равной вычисленной требуемой для резервирования пропускной способности, на все промежуточные телекоммуникационные узлы на маршруте следования потока к получателю 4.
11. Контролируют на всех промежуточных узлах объем заполненности входного буфера и отправляют сообщение о необходимости перерезервирования пропускной способности на сервер 3 управления резервированием в случае превышения произведения текущей зарезервированной скорости и объема использования буфера величины требуемой максимальной задержки, а также в случае опустошения буфера.
12. Осуществляют перерезервирование пропускной способности на сервере 3 управления резервированием в случае получения сигнала о необходимости перерезервирования или при изменении значения показателя Харста, оценки математического ожидания или дисперсии на величину превышающую заданный порог на инициирование адаптации для любого из микропотоков. Изменение статистических характеристик косвенно свидетельствует о изменении стационарного состояния.
«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием возможности реализовать его на штатных ЭВМ посредством подключения специального серверного оборудования к зеркальному порту пограничного маршрутизатора, а также на программно-конфигурируемом узловом телекоммуникационном оборудовании.
Сопоставление заявленного Способа резервирования пропускной способности для агрегированного фрактального трафика с адаптацией к текущей нагрузке и прототипа показывает, что заявленный способ существенно отличается от прототипа.
Общие признаки заявляемого способа и прототипа:
1. Начинают передачу трафика, не дожидаясь набора статистики необходимой для конфигурирования телекоммуникационного оборудования.
2. Анализируют входной поток.
3. Используют при распределении производительности статистические характеристики входного телекоммуникационного трафика.
4. Используют в качестве меры фрактальности показатель Харста, которым описывают степень самоподобности телекоммуникационного трафика.
5. Применяют агрегирование.
Отличительные признаки предлагаемого решения:
1. Разделяют микропотоки на группы с равными значениями показателя Харста в пределах заданного отклонения (порога на инициирование адаптации).
2. Резервируют (выделяют) пропускную способность в каждом узле на маршруте следования потока на основании математической модели агрегирования фрактального потока.
3. Адаптируют зарезервированную пропускную способность к значению максимальной допустимой задержки, посредством определения максимально допустимого объема использования буфера.
4. Уменьшают зарезервированную пропускную способность в случае опустошения буфера, то есть при избыточном резервировании и работе системы передачи данных в недогруженном режиме.
5. Не используют имитационное моделирование, требующее значительных вычислительных ресурсов.
6. Анализируют заполненность входных буферов для определения момента начала перегрузки.
7. Учитывают при распределении производительности (резервировании) стационарность входного потока.
Таким образом, заявленный Способ резервирования пропускной способности для агрегированного фрактального трафика с адаптацией к текущей нагрузке, позволяет за счет разделения агрегированного потока на микропотоки и вычисления требуемой для резервирования пропускной способности для каждой из групп потоков с близким по значению показателем Харста и за счет контроля текущей нагрузки и статистических характеристик, осуществлять адаптивное управление резервированием ресурсов, что в конечном итоге позволяет выполнить при передаче телекоммуникационного трафика требование по максимальной задержке и не резервировать избыточную пропускную способность.
Изобретение относится к области связи. Техническим результатом является снижение задержки обслуживания фрактального пакетированного трафика за счет адаптивного резервирования выделяемой пропускной способности с учетом фрактальности микропотоков, участвующих в агрегировании, и исключения опустошения буфера и превышения его уровнем максимального значения, предполагающего задержку, неудовлетворяющую требованиям по качеству обслуживания. В способе передают значения показателя Харста, оценку математического ожидания и дисперсии для случайного объема входных данных для каждого микропотока на сервер управления резервированием; задают на указанном сервере порог на инициирование адаптации по изменению показателя Харста, оценки математического ожидания и дисперсии, а также требование по величине максимальной задержки; разделяют потоки по группам с равными значениями показателя Харста; вычисляют требуемую для резервирования пропускную способность, используя математическую модель агрегирования фрактального потока, для каждой группы потоков; контролируют на всех промежуточных узлах объем заполненности входного буфера и отправляют сообщение о необходимости перерезервирования пропускной способности на сервер управления резервированием в случае превышения произведения текущей зарезервированной скорости и объема использования буфера величины требуемой максимальной задержки, а также в случае опустошения буфера; осуществляют перерезервирование пропускной способности на сервере в случае получения указанного сигнала или при изменении значения показателя Харста, оценки математического ожидания или дисперсии на величину, превышающую заданный порог. 1 ил.
Способ резервирования пропускной способности для агрегированного фрактального трафика с адаптацией к текущей нагрузке, заключающийся в том, что передают входной поток через сервер статистического анализа получателю информации; определяют на сервере статистического анализа показатель Харста, оценку математического ожидания и дисперсии для случайного объема входных данных всех микропотоков в составе входного потока; отправляют с сервера управления резервированием запрос на резервирование пропускной способности, равной вычисленной требуемой для резервирования пропускной способности, на все промежуточные телекоммуникационные узлы на маршруте следования потока к получателю; получают на сервере управления резервированием ответы о возможности резервирования пропускной способности от всех промежуточных узлов на маршруте следования потока к получателю; отправляют с сервера управления резервированием команду на резервирование пропускной способности, равной вычисленной требуемой для резервирования пропускной способности, на все промежуточные телекоммуникационные узлы на маршруте следования потока к получателю, отличающийся тем, что передают значения показателя Харста, оценку математического ожидания и дисперсии для случайного объема входных данных для каждого микропотока, входящего в состав агрегата, на сервер управления резервированием; задают на сервере управления резервированием порог на инициирование адаптации по изменению показателя Харста, оценки математического ожидания и дисперсии для случайного объема входных данных, а также требование по величине максимальной задержки; разделяют потоки по группам с равными значениями показателя Харста с учетом отклонения на величину, не превышающую порог на инициирование адаптации по изменению показателя Харста; вычисляют требуемую для резервирования пропускную способность, используя математическую модель агрегирования фрактального потока, для каждой группы потоков с равными значениями показателя Харста в отдельности; суммируют вычисленные требуемые для резервирования пропускные способности по всем группам потоков с равными значениями показателя Харста; контролируют на всех промежуточных узлах объем заполненности входного буфера и отправляют сообщение о необходимости перерезервирования пропускной способности на сервер управления резервированием в случае превышения произведения текущей зарезервированной скорости и объема использования буфера величины требуемой максимальной задержки, а также в случае опустошения буфера; осуществляют перерезервирование пропускной способности на сервере управления резервированием в случае получения сигнала о необходимости перерезервирования или при изменении значения показателя Харста, оценки математического ожидания или дисперсии на величину, превышающую заданный порог на инициирование адаптации для любого из микропотоков.
