Способ оптимального формирования фрейма канального уровня для фрактального агрегированного трафика в мультисервисной сети передачи данных по критерию минимума сквозной задержки Российский патент 2024 года по МПК H04L47/36 

Изобретение относится к области оптимизации размера пакетов данных и может быть использовано для минимизация сквозной задержки при передаче пульсирующего мультиплексированного трафика с учетом показателя Харста каждого микропотока входящего в состав агрегата за счет оптимизации размещения в едином фрейме канального уровня нескольких пакетов сетевого уровня.

Данное техническое решение в первую очередь предназначено для динамического определения оптимального размера Ethernet фрейма и минимизации сквозной задержки в мультисервисных сетях передачи данных, за счет формирования фрейма канального уровня из нескольких IP пакетов, что позволяет использовать предлагаемый способ практически в любых пакетных системах передачи данных и обеспечивает его широкую промышленную применимость.

Анализ информационного обмена позволяет сделать вывод, что имеет место значительное количество Ethernet фреймов существенно меньших чем 1500 байт максимально возможного размера. Как известно, использование фреймов маленького размера приводит к появлению большого количества избыточной служебной информации, 26 байт на каждый фрейм, где: преамбула (7 байт), начальный разделитель фрейма (1 байт), МАС-адрес назначения (6 байт), МАС-адрес источника (6 байт), тип сетевого протокола (2 байт), проверочная последовательность фрейма (4 байта). Также нужно учесть межпакетный интервал, соответствующий 12 байтам. Это приводит к неэффективному использованию пропускной способности сети. С другой стороны, когда размер полезной части слишком большой по отношению к служебной части, это приводит к существенному увеличению задержки при передаче низкоскоростного трафика, в связи с необходимостью длительного накопления данных на полноразмерный фрейм. Кроме того, при обслуживании фрактального агрегированного трафика использование предположения о его Пуассоновском распределении для построения математических моделей и определения оптимального размера Ethernet фрейма неадекватно реальному входному потоку, что приводит к увеличению показателя сквозной задержки и превышению требований к качеству обслуживания (QoS) при передаче данных. Причем, наличие в агрегированном потоке микропотоков имеющих различную природу возникновения и как следствие различные фрактальные характеристики, значительно снижает точность оценки требуемых ресурсов пропускной способности.

Это обуславливает необходимость использования при обеспечении качества обслуживания фрактального агрегированного трафика технических решений способных пакетировать входной поток с оптимальным размером Ethernet фрейма с учетом фрактальных свойств каждого из микропотоков входящих в состав агрегата по критерию минимума сквозной задержки.

Из уровня техники известен способ и устройство, которые реализуют изменение длин пакетов для передач с высокой скоростью передачи пакетных данных (патент RU №2341903, 2004). Для этого многочисленные пакеты уровня безопасности (SL) могут быть мультиплексированы в одиночный PL-пакет, чтобы увеличить эффективность, при этом SL-пакеты могут иметь изменяемые длины. В одном из вариантов осуществления SL-пакеты различного формата для различных пользователей объединяются в капсулы, которые формируют PL-пакет. Более короткие пакеты предназначены для пользователей с плохими канальными условиями или требующих меньшее количество данных, обусловленное применением и сопутствующим требованиям качества обслуживания (QoS).

Недостатки данного технического решения:

1. Осуществляют выбор размера пакета из списка заранее определенных величин на основании запрошенной скорости передачи.

2. Осуществляют выбор размера пакета независимо от потоков трафика идущих параллельно рассматриваемому потоку.

3. Не учитывают возможность передачи трафика через несколько телекоммуникационных узлов.

4. Не учитывают производительность телекоммуникационных устройств.

5. Не учитывают при пакетировании фрактальность потока.

Так же известно Устройство вычисления оптимального размера пакета по критерию минимума разности задержки и времени передачи сообщения (патент RU №203223, 2022). Данное устройство позволяет реализовать метод вычисления оптимального размера пакета по критерию минимума разности задержки и времени передачи сообщения.

Недостатки данного технического решения:

1. Не учитывают при вычислении размера пакета характеристики потоков трафика идущих параллельно рассматриваемому потоку.

2. Не учитывают при вычислении размера пакета характеристики всех промежуточных узлов на маршруте следования потока.

3. Не учитывают возможные пульсации входного потока и доступной пропускной способности.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа, является Способ минимизации задержки при гарантированной передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений (патент RU №2764784, 2021).

Сущность данного способа заключается в максимизации качества обслуживания мультимедийного трафика посредством минимизации задержки и минимизации потерь из-за переполнения входного буфера, за счет определения оптимального плана пакетирования с адаптивным резервированием пропускной способности и буферного пространства. Для этого в способе прототипе:

1. Задают параметры входного потока.

2. Задают параметры устройств обработки трафика.

3. Формируют кривую поступления входного потока.

4. Формируют кривую обслуживания сети связи.

5. Вычисляют минимальную задержку воспроизведения.

6. Определяют оптимальный размер полезной части пакета.

7. Конфигурируют сеть связи.

8. Вычисляют минимальный размер буфера.

9. Конфигурируют устройство воспроизведения.

10. Передают покадровый поток.

11. Сглаживают поток.

12. Разбивают поток сжатых изображений на пакеты и предают по каналу связи.

13. Принимают по каналу связи поток и передают на декодер.

14. Производят декомпрессию потока и передают его на устройство воспроизведения.

15. Воспроизводят поток.

Способ прототип имеет следующие недостатки.

1. Не учитывают при передаче трафика влияние на телекоммуникационные устройства других потоков трафика (кросспотоков).

2. Не учитывают индивидуальные фрактальные свойства каждого из микропотоков входящих в состав агрегата.

3. Не формируют Ethernet фреймы из нескольких IP пакетов.

4. Производят перепакетирование первичных данных.

5. Передают только мультимедийный трафик.

Задача, которую решает предлагаемый способ, заключается в минимизации сквозной задержки при передаче фрактального агрегированного трафика с учетом фрактальности микропотоков участвующих в агрегировании, за счет определения оптимального размера Ethernet фрейма и формирования его из нескольких IP пакетов.

Технический результат заключается в снижении задержки при передаче фрактального агрегированного потока с целью повышения качества передачи, за счет нахождения оптимального размера полезной части Ethernet фрейма с использованием модели остаточного обслуживания и сглаживания кривой остаточного обслуживания применяемой для нахождения оптимального решения аналитически с последующим последовательным приближением для компенсации ошибки сглаживания.

Функционирование изобретения поясняется следующими графическими материалами:

Фиг. 1 - функциональная схема Способа оптимального формирования фреймов канального уровня для фрактального агрегированного трафика в мультисервисной сети передачи данных по критерию минимума сквозной задержки;

Фиг. 2 - зависимость максимальной сквозной задержки от размера полезной части пакета при передаче фрактального агрегированного потока.

На фигуре 1 представлена функциональная схема Способа оптимального формирования фреймов канального уровня для фрактального агрегированного трафика в мультисервисной сети передачи данных по критерию минимума сквозной задержки, которая включает следующие элементы:

1. Сервер контроля информационного обмена.

2. Источник фрактального агрегированного трафика.

3. Устройство пакетирования.

4. Получатель фрактального агрегированного пакетированного потока.

5. Блок вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма.

Для решения заявленной задачи предлагается Способ оптимального формирования фреймов канального уровня для фрактального агрегированного трафика в мультисервисной сети передачи данных по критерию минимума сквозной задержки, заключающийся в том, что:

1. Собирают непрерывно в режиме реального времени статистику о структуре сети и передаваемых потоках на сервере 1 контроля информационного обмена на основании перехвата пакетов, алгоритмов маршрутизации и резервирования пропускной способности, а также контроля загруженности буферов телекоммуникационных устройств.

2. Передают весь входной поток от источника 2 фрактального агрегированного трафика через устройство 3 пакетирования получателю 4 фрактального агрегированного пакетированного потока с учетом текущего оптимального размера Ethernet фрейма, полезная часть которого в начальный момент времени принимается равной размеру пакета сетевого уровня.

3. Собирают в устройстве 3 пакетирования статистику о входных Ethernet фреймах (времени поступлении, размере, источнике, получателе и типе трафика) и передают ее в блок 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма.

4. Анализируют в блоке 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма статистику информационного обмена и определяют показатель Харста, оценку математического ожидания и среднеквадратического отклонения интенсивности входного потока в режиме реального времени для текущего объема статистики.

5. Определяют в блоке 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма суммарную среднюю скорость всего агрегированного потока на перспективу с учетом текущей фрактальности его микропотоков.

При этом используют математическую модель агрегирования фрактального потока, для каждой группы потоков с равными значениями показателя Харста в отдельности реализованную изобретением (Сыцевич Н.Ф., Белов П.Ю., Мирошник К.С., Способ резервирования пропускной способности для агрегированного фрактального трафика с адаптацией к текущей нагрузке. Патент №2804500 от 02.10.2023 г.).

При построении математической модели используются следующие теоретические положения.

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), поступивший в систему за время t через скорость передачи данных:

где - средняя скорость телекоммуникационного трафика.

Очевидно, что для объединения потоков справедливо выражение вида:

где x₁(t), x₂(t), …, x_n(t) - объем трафика поступивший за время t для каждого из п 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 x₁, x₂, …, x_n, имеют одинаковый показатель Харста Н, то можно рассматривать как масштабный коэффициент по времени для первого потока. Таким образом, с учетом выражения (2), справедлива следующая математическая модель агрегирования фрактального потока

Если аналогично выражению (2) представить левую часть выражения (5) как то скорость поступления данных для агрегированного потока, после элементарных алгебраических преобразований (5), может быть описана выражением вида:

Затем необходимо суммировать вычисленные скорости по всем группам потоков с равными значениями показателя Харста. Это позволяет получить - суммарную среднюю скорость всего потока.

6. Определяют в блоке 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма берстность для кривой поступления агрегированного трафика.

При этом под кривой поступления трафика понимают функцию от времени описывающую зависимость суммарного количества поступивших данных и имеющую вид:

где:

М - максимальный размер Ethernet фрейма в потоке;

Р - пиковая скорость потока;

b - допустимая берстность потока, определяемая произведением максимального размера Ethernet фрейма в потоке М на количество микропотоков в агрегате;

- устойчивая средняя скорость потока.

7. Запрашивают в блок 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма с сервера 1 контроля информационного обмена данные о структуре сети и передаваемых в ней потоках.

8. Рассчитывают в блоке 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма параметры кривой остаточного обслуживания на маршруте следования агрегированного трафика.

При этом используют следующие положения теории детерминированного сетевого исчисления.

Сетевое исчисление (англ., Network Calculus) - это совокупность математических результатов, которые позволяют исследовать граничные значения характеристик функционирования таких сложных технических систем, как сети связи, цифровые электрические цепи, конкурирующие программы и др. Сетевое исчисление дает теоретическую основу для анализа гарантированной производительности телекоммуникационных пакетных сетей, в отличии от теории массового обслуживания, оперирующей в основном со средними значениями показателей.

Для построения остаточной кривой обслуживания на маршруте следования агрегата трафика необходимо построить кривые поступления потоков (кросспотоков), проходящих через телекоммуникационное оборудование, через которое следует анализируемый агрегат трафика (кросспотоков) где F - агрегат кросспотоков, a n - количество агрегатов), а также кривые обслуживания этого телекоммуникационного оборудования.

Кривая обслуживания задается параметрами: R - скорость обработки трафика и T - максимальная задержка бит потока в устройстве и имеет вид:

После нахождения кривых поступления трафика для всех кросспотоков и кривых обслуживания телекоммуникационного оборудования на маршруте следования агрегата трафика необходимо найти кривые остаточного обслуживания этих устройств обработки трафика путем нахождения поточечной разности кривых обслуживания оборудования и суммы всех агрегатов кросстрафика проходящих через него:

где: - кривая остаточного обслуживания устройства обработки трафика S на маршруте следования агрегата, β_(s) - кривая обслуживания устройства обработки трафика S на маршруте следования агрегата, - кривая поступления кросспотока на маршруте следования агрегата трафика, n -количество кросспотоков проходящих через устройство S.

Затем производят min+свертку полученных кривых остаточного обслуживания всех обслуживающих устройств на пути следования агрегата:

где: - кривая остаточного обслуживания предоставляемая сетью связи для целевого агрегата трафика, - кривая остаточного обслуживания устройства обработки трафика на маршруте следования агрегата, m - количество устройств обработки трафика на маршруте следования агрегата.

9. Рассчитывают в блоке 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма оптимальный размер Ethernet фрейма.

При этом используют следующие теоретические положения.

Чтобы оптимизировать размер полезной части Ethernet фрейма по критерию минимума сквозной задержки, необходимо эту задержку вычислить. В сетевом исчислении для приведенных выше видов кривой поступления и кривой вида «скорость-задержка» (кривая обслуживания) известна формула вычисления максимальной задержки битового потока в узле:

Однако в (11) не учтено время задержки на формирование одного Ethernet фрейма, которое может быть определено как отношение размера фрейма (который состоит из L_пл - размер полезной части фрейма и L_сл - размер служебной части фрейма) к скорости обработки трафика устройством:

Также не учтено возрастание пиковой скорости потока (Р) при использовании фреймов маленького размера, из-за увеличения избыточности, вызванной появлением большего количества служебных данных. Учесть данное увеличение Р возможно введением коэффициента:

Подставив выражения (13)и(12)в(11), получим выражение:

Так как функция задержки от размера полезной части Ethernet фрейма имеет экстремум (фиг. 2 - зависимость максимальной сквозной задержки от размера полезной части фрейма при передаче фрактального агрегированного потока), то поиск решения для вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма сводится к нахождению значения L_пл при котором первая производная выражения (14) равна нулю. В результате громоздких алгебраических преобразований решение таково:

Однако, полученная нами кривая остаточного обслуживания узлов телекоммуникационного оборудования для интересующего целевого агрегата фрактального трафика не всегда будет вида «скорость-задержка». Кривая остаточного обслуживания может иметь вид многоступенчатой псевдоаффинной кривой. В этом случае максимальная задержка фреймов за время t определяется как:

Вычисление задержки для каждого возможного размера полезной части Ethernet фрейма и их дальнейшее сравнение с использованием выражения (15) может занять неприемлемо много времени.

Избежать этого возможно следующим образом.

Приведем кривую остаточного обслуживания, полученную для интересующего агрегата трафика, к виду «скорость-задержка» путем усреднения. Для этого сложим все значения кривой не равные 0 и разделим на количество таких значений, получив среднюю скорость обслуживания. Подставив эту скорость в выражение (8) получим усредненную кривую остаточного обслуживания узлов телекоммуникационного оборудования для интересующего целевого агрегата фрактального трафика. Подставив ее параметры в выражение (15) можно найти квазиоптимальное решение.

Вычислив квазиоптимальное решение, находим оптимальное решение на множестве целых чисел с использованием метода последовательных приближений.

Для этого находим d_max при размере полезной части Ethernet фрейма на 1 байт больше квазиоптимального значения, полученного ранее. Если полученное значение d_max будет меньше, чем полученное при вычисленном квазиоптимальном размере фрейма, продолжаем увеличивать размер полезной части Ethernet фрейма, пока значение d_max не начнет возрастать. Если при первом увеличении размера полезной части Ethernet фрейма значение d_max увеличилось, то для нахождения оптимального решения уменьшаем размер полезной части Ethernet фрейма на 1 байт.Повторяем это действие пока d_max не начнет возрастать. Если при первичном увеличении размера полезной части Ethernet фрейма, а затем и при первичном уменьшении полезной части, значения d_max будут превышать уже вычисленное, то найденное решение уже является оптимальным.

Этот подход позволяет существенно уменьшить вычислительные затраты и время нахождения оптимального решения по сравнению с полным перебором размера полезной части Ethernet фрейма и применением для каждой итерации выражения (16).

10. Передают в устройство 3 пакетирования значение оптимального размера полезной части Ethernet фрейма, полученное в блоке 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма.

11. Формируют в устройстве 3 пакетирования Ethernet фреймы из нескольких IP пакетов в соответствии с очередностью приоритетного обслуживания IP пакетов и равенством оптимальному размеру Ethernet фрейма.

При этом в общем случае размер Ethernet фрейма будет отличаться от оптимального. Решение о помещении очередного IP пакета во фрейм принимается на основании критерия минимума модуля разности оптимального и формируемого Ethernet фрейма по выражению вида

При равенстве полученных модулей очередной IP пакет включается в Ethernet фрейм, т.к. функция d_max от размера полезной части Ethernet фрейма с увеличением аргумента возрастает с меньшей скоростью (фиг. 2).

12. Производят постоянную адаптацию размера Ethernet фрейма к текущей статистике входного потока.

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием возможности реализовать его с использованием, как программируемых интегральных схем, так и с помощью программы в операционной системе соответствующего телекоммуникационного оборудования (управляемого коммутатора, маршрутизатора и т.д.).

Сопоставление заявленного Способа оптимального формирования фрейма канального уровня для фрактального агрегированного трафика в мультисервисной сети передачи данных по критерию минимума сквозной задержки с прототипом показывает, что заявленный способ существенно отличается от прототипа.

Общие признаки заявляемого способа и прототипа:

1. Используют для определения сквозной задержки подходы алгебраического анализа детерминированного сетевого исчисления.

2. Учитывают фрактальную природу передаваемого телекоммуникационного трафика.

3. Используют механизм пакетирования.

4. Передают и принимают пакетированный поток.

5. Учитывают характеристики входного потока.

6. Учитывают характеристики канала передачи данных. Отличительные признаки предлагаемого решения.

1. Учитывают фрактальную природу каждого микропотока входящего в состав целевого агрегата потоков.

2. Производят усреднение кривой остаточного обслуживания для сокращения времени нахождения оптимального размера Ethernet фрейма.

3. Производят методом последовательных приближений нахождение оптимального размера Ethernet фрейма для реальной кривой поступления.

4. Формируют Ethernet фрейм из нескольких IP пакетов.

5. Принимают решение о помещении очередного IP пакета во фрейм на основании критерия минимума модуля разности оптимального и формируемого Ethernet фрейма.

6. Передают любые типы трафика.

7. Адаптируют размер Ethernet фрейма под состояние канала связи в режиме близкому к реальному времени.

Таким образом, заявленный Способ оптимального формирования фрейма канального уровня для фрактального агрегированного трафика в мультисервисной сети передачи данных по критерию минимума сквозной задержки позволяет минимизировать сквозную задержку доставки телекоммуникационного трафика с учетом времени на формирование одного Ethernet фрейма и с учетом возрастания пиковой скорости потока при использовании фреймов маленького размера, из-за увеличения избыточности, вызванной появлением большего количества служебных данных. При этом обеспечивается адаптивность.

Изобретение относится к средствам оптимизации размещения в едином фрейме канального уровня нескольких пакетов сетевого уровня. Технический результат заключается в снижении задержки при передаче фрактального агрегированного потока с целью повышения качества передачи. Технический результат достигается за счет нахождения оптимального размера полезной части Ethernet фрейма с использованием модели остаточного обслуживания и сглаживания кривой остаточного обслуживания, применяемой для нахождения оптимального решения аналитически с последующим последовательным приближением для компенсации ошибки сглаживания. 2 ил.

Способ оптимального формирования фрейма канального уровня для фрактального агрегированного трафика в мультисервисной сети передачи данных по критерию минимума сквозной задержки, заключающийся в том, что: собирают непрерывно статистику о структуре сети и передаваемых потоках на сервере контроля информационного обмена; передают весь входной трафик через устройство пакетирования получателю; собирают в устройстве пакетирования статистику о входных Ethernet фреймах; анализируют в блоке вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма статистику информационного обмена и определяют показатель Харста, оценку математического ожидания и среднеквадратического отклонения интенсивности входного потока в режиме реального времени для текущего объема статистики; определяют в блоке вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма суммарную среднюю скорость всего агрегированного потока; определяют в блоке вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма берстность для кривой поступления агрегированного трафика; запрашивают с сервера контроля информационного обмена данные о структуре сети и передаваемых в ней потоках; рассчитывают в блоке вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма параметры кривой остаточного обслуживания на маршруте следования агрегированного трафика; формируют в устройстве пакетирования Ethernet фреймы; производят постоянную адаптацию, отличающийся тем, что: передают весь входной трафик от источника через устройство пакетирования получателю с учетом текущего оптимального размера Ethernet фрейма, полезная часть которого в начальный момент времени принимается равной размеру пакета сетевого уровня; собирают в устройстве пакетирования статистику о времени поступления, размере, источнике, получателе и типе трафика входных Ethernet фреймом и передают ее в блок вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма; определяют в блоке вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма суммарную среднюю скорость всего агрегированного потока на перспективу с учетом текущей фрактальности его микропотоков; рассчитывают в блоке вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма оптимальный размер Ethernet фрейма; передают в устройство пакетирования значение оптимального размера полезной части Ethernet фрейма; формируют в устройстве пакетирования Ethernet фреймы из нескольких IP-пакетов в соответствии с очередностью приоритетного обслуживания IP-пакетов и равенством оптимальному размеру Ethernet фрейма; производят постоянную адаптацию размера Ethernet фрейма к текущей статистике входного потока.