Способ декорреляции временных интервалов между пакетами на выходе источника сообщений Российский патент 2025 года по МПК H04L12/00 G06F17/15 

Способ декорреляции временных интервалов между пакетами на выходе источника сообщений относится к инфокоммуникационным сетям и может быть использован на потоковом уровне в любом устройстве, где формируются пакеты данных определенного приложения, например, IPTV, видеоконференция, передача голоса и др.

Под источником сообщений подразумевается сетевое устройство, которое отправляет пакеты данных определенного приложения. Под коррелированностью интервалов времени подразумевается статистическая зависимость случайных интервалов времени между пакетами и зависимость между собой случайных интервалов времени обработки пакетов. При возникновении такой статистической зависимости случайному процессу приписывают свойства самоподобия, которые возникают из-за воздействия на сетевой трафик различных факторов [1], таких как поведение пользователя, структура данных, их генерация и поиск, объединение трафика, управление трафиком и пр. Многочисленные исследования характеристик сетевых устройств [2, 3, 4, 5] показывают, что наличие, например, корреляционных свойств у последовательности интервалов времени между пакетами приводит к увеличению среднего времени задержки пакета в обрабатывающем устройстве, что в итоге снижает пропускную способность сети и, как следствие, могут не выполняться показатели качества обслуживания (QoS).

Под декорреляцией будем понимать существенное снижение значений коэффициентов корреляции по Пирсону (вплоть до нулевых значений) случайной последовательности интервалов времени между пакетами.

Известен способ декорреляции произвольной случайной последовательности (К. Фукунага. Введение в статистическую теорию распознавания образов / Пер. с англ. - М.: Наука, 1979, 368 с.), основанный на применении разложения Карунена-Лоэва. Суть применения разложения Карунена-Лоэва к декорреляции случайной последовательности интервалов времени между пакетами поясняется следующим образом.

Пусть - вектор (размером N) отсчетов значений интервалов времени между пакетами, зарегистрированный на некотором временном интервале времени (Т - символ транспонирования). Естественно, что все элементы матрицы Х являются положительными величинами. И пусть - корреляционная матрица отсчетов наблюдаемого вектора. Преобразуем вектор X c коррелированными элементами в некоторый вектор Y с некоррелированными элементами следующим образом , где ортогонализирующая матрица составлена из векторов являющихся собственными векторами корреляционной матрицы , соответствующих i-му характеристическому числу, . Так как вектора , являются ортонормированными, т.е. удовлетворяют соотношению

то непосредственной проверкой нетрудно убедиться, что элементы матрицы Y не коррелированы.

При таком преобразовании некоторые из положительных элементов вектора X могут изменить знак. Если ко всем элементам вектора Y прибавить некоторое положительное число d, например, такое, чтобы выполнялось условие , и получить новый вектор , то это не внесет корреляции между элементами вектора , но сохранит физический смысл элементов данного вектора (интервалы времени не могут быть отрицательными). Здесь - наименьшее значение элемента вектора Y.

Итак, способ декорреляции произвольной случайной последовательности, основанный на применении разложения Карунена-Лоэва, заключается в фиксации в памяти вычислительного устройства поступающей на его вход из сети последовательности из N+1 пакета и N интервалов времени между принятыми пакетами, по фиксированной последовательности интервалов времени рассчитывается корреляционная матрица для последовательности фиксированных интервалов времени, по полученной корреляционной матрице решается задача нахождения характеристических чисел и собственных векторов рассчитанной корреляционной матрицы, из которых формируется ортогонализирующая матрица, посредством которой из принятой последовательности интервалов времени матричным преобразованием получается новая последовательность интервалов времени между пакетами, в случае наличия в новой последовательности отрицательных элементов новая последовательность преобразуется в модернизированную последовательность, путем суммирования каждого элемента новой последовательности с некоторой положительной константой, превосходящей по абсолютной величине наименьший элемент новой последовательности, модернизированная последовательность фиксируется в памяти вычислительного устройства, при отсутствии отрицательных элементов в новой последовательности она переписывается в модернизированную последовательность временных интервалов, с выхода вычислительного устройства в сеть отправляются ранее зафиксированные пакеты через интервалы времени, соответствующие значениям, зафиксированным в модернизированной последовательности.

Недостатком данного способа является очень большое число операций, которое необходимо выполнить вычислительному устройству: - для расчета корреляционной матрицы, - для определения характеристических значений и собственных векторов корреляционной матрицы, - для выполнения декоррелирующего преобразования [6], - для расчета элементов модернизированной последовательности. Итого - операций. Даже при малых (например, ) реализация такого объема вычислений для декорреляции последовательности интервалов времени на выходе источника сообщений может привести к недопустимо большой задержке пакетов в вычислительном устройстве, что приведёт к потере пропускной способности сети связи.

Самым близким к заявляемому способу по своей технической сущности является способ декорреляции сетевого трафика. Патент RU 2716697 C1, дата регистрации 08.05.2019, опубл. 16.03.2020, G06F 17/00, H04L 12/54.

Формула изобретения:

Способ декорреляции сетевого трафика, заключающийся в том, что в памяти вычислительного устройства фиксируется поступающая на его вход из сети трафиковая последовательность из N+1 пакета и N значений интервалов времени между принятыми пакетами, по фиксированной последовательности значений интервалов времени с использованием вейвлет-преобразования рассчитывается и фиксируется в памяти вычислительного устройства новая декоррелированная последовательность значений интервалов времени между пакетами, новая декоррелированная последовательность значений интервалов времени корректируется посредством суммирования каждого элемента последовательности с положительной константой, превосходящей по абсолютной величине наименьший элемент новой последовательности, так, чтобы все элементы новой корректированной декоррелированной последовательности приобрели положительное значение, с выхода вычислительного устройства в сеть отправляются ранее зафиксированные пакеты через интервалы времени, соответствующие значениям новой корректированной декоррелированной последовательности.

Недостатком данного способа является большое число операций, необходимых для устранения корреляции интервалов времени между пакетами. К тому же для применения предложенного способа необходимо хранить значения заранее рассчитанных вейвлет-коэффициентов. При этом качество декорреляции напрямую зависит от количества декоррелируемых интервалов времени: чем больше интервалов, тем больше операций необходимо осуществить, тем больше заранее рассчитанных вейвлет-коэффициентов необходимо хранить в памяти устройства.

Предлагаемое техническое решение направлено на уменьшение вычислительной сложности процесса декорреляции последовательности интервалов времени между пакетами за счет применения операции «перемежения» (перестановки) при отсутствии вычислительных операций.

Поставленная задача решается за счет того, что согласно способу декорреляции временных интервалов между пакетами на выходе источника сообщений, заключающегося в том, что в памяти декоррелятора, состоящего из двух одинаковых блоков памяти, каждый объемом N ячеек памяти, последовательно записываются в каждую ячейку содержимое поступающего пакета и значение интервала времени до поступления следующего очередного пакета, после заполнения всех ячеек первого блока памяти считывание содержимого пакетов осуществляется последовательно с первой ячейки в соответствии с порядком их поступления через временные интервалы, которые выбираются из некоррелированных значений, хранящихся в ячейках данного блока памяти, одновременно с началом считывания информации с первого блока памяти начинается запись информации во второй блок памяти, после окончания считывания информации из первого блока памяти начинается процесс считывания информации из второго блока памяти аналогично тому, как это делалось в первом блоке памяти, при этом первый блок памяти переходит в режим записи, после окончания которой режим считывания-записи обоих блоков памяти изменяется рекуррентно.

Способ декорреляции временных интервалов между пакетами на выходе источника сообщений реализуется устройством, поясненным фиг. 1, где 1 - входной коммутатор, 2 - сниффер (устройство измерения интервалов времени), 3 - регистр 1, 4 - регистр 2, 5 - блок управления, 6 - выходной коммутатор, 7 - блок памяти.

Способ декорреляции временных интервалов между пакетами на выходе источника сообщений реализуется устройством следующим образом. Через входной коммутатор 1 пакеты из сети поступают в свободный блок памяти 7, номер которого передается в выходной коммутатор 6. В блоке памяти 7 пакеты поступают в регистр 3 до его заполнения, параллельно с фиксацией пакетов в регистре 3 в сниффере 2 производится измерение интервалов времени между пакетами и значения этих интервалов, а также порядковые номера последовательно фиксируются в регистре 4 блока памяти 7. В блоке управления 5 хранятся номера позиций интервалов времени, которые должны обеспечить декорреляцию интервалов времени, хранящихся в регистре 4. Эти номера передаются из блока управления 5 в регистр 4 и в соответствии со значениями временных интервалов, записанных под этими номерами, осуществляется считывание содержимого очередного пакета. После этого через выходной коммутатор 6 отдаёт в сеть пакеты из регистра 3 данного блока памяти 7 через интервалы времени, фиксированные в регистре 4. После заполнения пакетами регистра 3 блок управления 5 через выходной коммутатор 6 переключает входной коммутатор 1 на второй свободный блок памяти 7, номер которого аналогично передаётся в выходной коммутатор 6. После заполнения пакетами регистра 3 и значениями интервалов времени между поступающими пакетами регистра 4 свободного блока памяти процесс обработки потока пакетов из сети продолжается аналогичным образом в первом свободном блоке памяти 7, при этом входной коммутатор 1 переключает входной поток пакетов на первый свободный блок памяти 7 и процесс декорреляции входного потока пакетов продолжается непрерывно во времени.

Способ реализуется следующим образом.

Будем предполагать, что блок памяти выполнен с использованием блочного перемежителя объемом и строится на основе матрицы с строками и столбцами. Входная последовательность интервалов времени , длиной пакетов, записывается в матрицу по строкам по мере поступления каждого пакета, а считывание выходной последовательности осуществляется после заполнения всей матрицы.

Входная последовательность (временные интервалы между пакетами) записывается в матрицу по строкам, а перемежение осуществляется по диагоналям (фиг. 2), где для примера , .

Пусть последовательность интервалов времени между пакетами на выходе источника сообщений обладает следующими корреляционными свойствами: , , , , , , , где индекс обозначает значения коэффициента корреляции между элементами, отстоящими на расстоянии 1, 2 ,3 и т.д. друг от друга. Такая корреляция соответствует последовательности интервалов времени, обладающей фрактальными свойствами [1]. Значения интервалов времени между пакетами с номерами 0 - 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 записываются в первую строку, с номерами 7 - 8 - 9 - 10 - 11 - 12 - 13 во вторую строку и т.д. (фиг. 3).

Изменение порядка считывания зафиксированных временных интервалов (перемежение) в соответствии с предлагаемым способом при этом будет происходить следующим образом. Выходная последовательность будет сформирована в порядке номеров (фрагмент): 21 - 29 - 37 - 45 - 53 - 61 - 6 - 28 - 36 - 44 - 52 - 60 - 5 - 13. Легко видеть, что коэффициенты корреляции при этом будут равняться нулю, т.е.: , , , , , , , , , , .

Для реализации данного метода необходимо выполнить операций чтения-записи без проведения вычислений. В памяти должно храниться N значений позиций декоррелированных интервалов.

Таким образом, приведенный анализ подтверждает эффективность данного способа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шелухин О.И., Тенякшев А.М., Осин А.В. Фрактальные процессы в телекоммуникациях / Под ред. О.И. Шелухина. - М.: Радиотехника, 2003. - 480 с.

2. Назаров А.Н., Сычев К.И. Модели и методы расчета показателей качества функционирования узлового оборудования и структурно-сетевых параметров сетей связи следующего поколения. - 2-е изд. перераб. и доп. - Красноярск: Изд-во ООО «Поликом», 2011. - 491 с.

3. Бузов А.Л., Букашкин С.А. и др. Специальная радиосвязь. Развитие и модернизация оборудования и объектов / М.: Радиотехника. - 2017. - 448 с.

4. Галкин А.М., Симонина О.А., Яновский Г.Г. Анализ характеристик сетей NGN с учетом свойств самоподобия трафика // Электросвязь, №12, 2007, с. 23-25.

5. Карташевский И.В., Волков А.Н., Киричек Р.В. Анализ среднего времени задержки в системе массового обслуживания при обработке коррелированного трафика // Электросвязь, №3, 2019, с. 41-50.

6. Чернов В.М. Арифметические методы синтеза быстрых алгоритмов дискретных ортогональных преобразований. - М.: Физматлит, 2007. - 264 с.

Изобретение относится к области связи. Технический результат заключается в минимальных вычислительных затратах на реализацию декорреляции временных интервалов между пакетами на выходе источника сообщений. Для этого предусмотрено, что в памяти декоррелятора, состоящего из двух одинаковых блоков памяти, каждый объемом N ячеек памяти, последовательно записываются в каждую ячейку содержимое поступающего пакета и значение интервала времени до поступления следующего очередного пакета, после заполнения всех ячеек первого блока памяти считывание содержимого пакетов осуществляется последовательно с первой ячейки в соответствии с порядком их поступления через временные интервалы, которые выбираются из некоррелированных значений, хранящихся в ячейках данного блока памяти, одновременно с началом считывания информации с первого блока памяти начинается запись информации во второй блок памяти, после окончания считывания информации из первого блока памяти начинается процесс считывания информации из второго блока памяти аналогично тому, как это делалось в первом блоке памяти, при этом первый блок памяти переходит в режим записи, после окончания которой режим считывания-записи обоих блоков памяти изменяется рекуррентно. 3 ил.

Способ декорреляции временных интервалов между пакетами на выходе источника сообщений, заключающийся в том, что в памяти декоррелятора, состоящего из двух одинаковых блоков памяти, каждый объемом N ячеек памяти, последовательно записываются в каждую ячейку содержимое поступающего пакета и значение интервала времени до поступления следующего очередного пакета, после заполнения всех ячеек первого блока памяти считывание содержимого пакетов осуществляется последовательно с первой ячейки в соответствии с порядком их поступления через временные интервалы, которые выбираются из некоррелированных значений, хранящихся в ячейках данного блока памяти, одновременно с началом считывания информации с первого блока памяти начинается запись информации во второй блок памяти, после окончания считывания информации из первого блока памяти начинается процесс считывания информации из второго блока памяти аналогично тому, как это делалось в первом блоке памяти, при этом первый блок памяти переходит в режим записи, после окончания которой режим считывания-записи обоих блоков памяти изменяется рекуррентно.