В рубрику "Multiplay" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Павел Косивцов
Ведущий специалист ЗАО "Коламбия-Телеком"
На современном этапе развития NGN-сетей крайне необдуманно не учитывать "взрывной" характер трафика, объединенного пакетом услуг Triple Play. Современные исследования трафиковых измерений, проведенные в реальных телекоммуникационных сетях, доказывают, что сетевой трафик является самоподобным, или фрактальным, по структуре, то есть пульсирующим в широких пределах временного масштаба. Так как самоподобность предполагает значительное влияние на сетевые характеристики, понимание причин и влияний трафиковой самоподобности - важная проблема.
Самоподобность может возникать в результате объединения множества отдельных, хотя и сильно изменчивых ON/OFF-источников (то есть ON- и OFF-периоды имеют распределения с тяжелыми хвостами и бесконечные дисперсии: например, они подчиняются распределению Парето). Другими словами, в процессе передачи трафика от хоста к хосту возникают ON-периоды (периоды передачи группы пакетов хостом) и OFF-периоды (периоды ожидания хостом отклика на передачу или периоды подавления пауз для VoIP). А наложение множества ON/OFF-источников, проявляющих синдром бесконечной дисперсии, в результате дает самоподобный объединенный сетевой трафик, стремящийся к фрактальному броуновскому движению.
Для сетей, предоставляющих сервисы Triple Play, самоподобие трафика целесообразнее рассматривать на примере каждого вида услуг при объединении трех его компонент - данных, речи и видео.
В IP-сетях трафик передачи данных разделяется на TCP и UDP (по используемому протоколу передачи) на транспортном уровне или на Web, TELNET, FTP или e-mail (по программе) на прикладном уровне. Кроме того, каждая из этих частей трафика состоит из многих мультиплексированных потоков от различных соединений. Один пользователь может запускать один или более потоков одновременно (например, параллельные соединения в одной сессии с целью ускорения получения информации или запуск нескольких сессий с одного браузера).
Объединение множества ON/OFF-источников трафика с чередующимися периодами ON и OFF создает агрегированный трафик, обладающий свойством самоподобия.
Агрегированный трафик передачи данных можно рассматривать как суперпозицию ON/OFF-источников, которые осуществляют передачу запрашиваемого файла в течение периода ON, а период OFF соответствует интервалу времени между передачами. Характеристики трафика также оказываются крайне устойчивыми к операциям сети, таким как разделение, объединение, построение очередей, организация управления и формирование. Самоподобность сохраняется при наложении однородных и разнородных, то есть независимых, источников трафика, и это свойство присутствует в широком диапазоне условий: как в случаях изменений предельной пропускной способности и емкости буфера, так и при смешивании с перекрестным трафиком, обладающим другими (корреляционными) характеристиками.
Характеристики трафика, генерируемого отдельным голосовым источником, сильно зависят от используемого кодера речи (кодека). Основная функция кодека речи - выполнять аналогово-цифровое преобразование сигнала, а также его последующее цифровое сжатие. Различаются два класса речевых кодеков и генерируемых ими потоков. К первому классу относятся потоки трафика с постоянной интенсивностью (например, кодеки формы G.711). К другому классу относятся потоки речевого трафика, полученные на выходе кодеков, использующих подавление пауз и генерирующих активные (ON) и неактивные (OFF) периоды, следующие друг за другом. Чаще других в Интернет-телефонии используются гибридные кодеки (например, GSM 6.10, G.723.1, G.729A). Основным является то, что подобные кодеки генерируют аудиокадры с постоянной битовой скоростью. В случае, когда используется схема подавления пауз, кодеки могут работать в двух режимах: режим паузы с нулевой битовой интенсивностью или же пониженной битовой интенсивностью для некоторых типов кодеков и активный режим со скоростью сжатого цифрового потока. Независимо от режима длительность и размер кадра остаются постоянными.
Информация на уровне соединения позволяет провести тщательный анализ всплесков голосового трафика.
Видео - это последовательность непрерывных пространственно неподвижных картин, называемых кадрами. Существует несколько физических причин, почему трассы видеоисточников являются особыми. Каждая неподвижная картина может быть представлена кодирующим алгоритмом в цифровом виде и затем сжата для уменьшения полосы пропускания. Обычно используется такой способ уменьшения полосы пропускания: сначала пересылается начальный полный кадр, а затем - только отличия последующих кадров от полного. Так как расположенные рядом кадры мало отличаются друг от друга (поскольку движение является непрерывным), это приводит к существованию значительной корреляции кадров, находящихся рядом. Защититься от ошибок передачи можно, периодически передавая полный кадр. Кроме того, при изменении сцены исчезает зависимость от прошлых кадров. В этом случае функциональная корреляция заканчивается, что может также положить конец и статистической корреляции в размерах кадра. Так как произошедшие изменения требуют, чтобы новый кадр был передан полностью, продолжительность сцен отражается на характере трассы. По этим и некоторым другим причинам видеотрафик отличается от трафика данных и голоса, и, как следствие, модели и выводы, полученные для видео, не могут быть применены к другим типам трафика.
При видеоконференциях картинка почти не меняется (за исключением небольшого движения собеседников), поэтому видеоконференции могут считаться самым простым типом видео. Источником видео может быть сигнал в стандарте как PAL, так и NTSC, конвертируемый далее в общий стандарт одного из двух типов: CIF или QCIF.
Стандарт Common Intermediate Format (CIF) обеспечивает более высокое качество, но требует более широкой полосы частот (при использовании современных методов компрессии рекомендуемые скорости передачи составляют 384 кбит/с и выше). Достигаемое разрешение оказывается всего лишь вдвое хуже, чем в системе NTSC.
Стандарт Quarter Common Intermediate Format (QCIF) имеет разрешение вдвое ниже CIF по каждому измерению, то есть в четыре раза меньшее общее число пикселей, однако и требуемая скорость передачи может быть снижена до 64 кбит/с.
Проведенные исследования последовательностей трафика видеоконференций позволяют сделать вывод о присутствии в них долговременной зависимости и подчеркивают важность кратковременных корреляций при анализе трафика.
Более динамичными являются видеопоследовательности, характерные для фильмов, новостей, спортивных передач и развлекательного телевидения.
Широковещательное VBR-видео отличается по скорости потока от VBR-видеоконференций. Так, последовательности видеоконференций состоят в основном из картинок "голова-плечи" с небольшим панорамированием или без него, в то время как вещательное видео характеризуется постоянной сменой сцен. В связи с межкадровым кодированием очевидно, что при изменении сцены потребуется больше бит, чем для внутрисценовых кадров, что отличает широковещательное видео от видеоконференций.
MPEG был разработан для движущихся изображений и применялся к "реальным" данным. Это методика сжатия с потерями. Для увеличения сжатия она использует ограничения на пространственное и временное разрешение глаза. Кроме того, MPEG использует свойство изображения, при котором большое количество кадров в видеопоследовательности подобно своим ближайшим соседям. Пересылая информацию об измененных пикселях между соседними кадрами, можно добиться значительного увеличения коэффициента сжатия.
Если исходное видео содержит незначительное движение или изменение сцен, тогда MPEG должен давать очень высокие коэффициенты сжатия. Это основное применение для таких приложений, как видеотелефония. С другой стороны, если видеопоследовательность содержит резкие смены плана или изменения сцен, то коэффициент сжатия будет не так высок и может возникнуть "искусственность" изображения при дальнейшем просмотре.
Так как находящиеся внутри этого шаблона кадры мало отличаются друг от друга (передается только разница между ними), это приводит к существованию значительной корреляции их размеров. При передаче следующего полного кадра корреляция между ними практически заканчивается. По этой причине видеотрафик достаточно сильно отличается от обычного трафика телекоммуникационных сетей. Поэтому выводы и модели, полученные для обычного сетевого трафика, не могут быть применены для анализа и моделирования видеотрафика.
Под управлением самоподобным трафиком понимается регулирование трафика таким образом, чтобы эффективность сети (в том числе пропускная способность) была оптимальной. Масштабно-инвариантная структура трафика вносит новые сложности в общую картину, что делает задачу предоставления качества обслуживания (QoS) (совместно с достижением высокого коэффициента использования) гораздо более сложной. Самое главное заключается в том, что инвариантная к масштабу пульсирующая структура подразумевает существование периодов скученности высокой активности на грубых масштабах времени, что неблагоприятно воздействует на управление перегрузкой. Пульсирующая структура на грубых масштабах времени похожа на пульсирующую структуру, наблюдаемую для традиционных кратковременно-зависимых моделей трафика. Подобное свойство наблюдается на более грубых масштабах, где появляются дополнительные интервалы перегрузки или недоиспользования и снижения общей эффективности. Однако долговременная зависимость (по определению) подразумевает существование необычной корреляционной структуры, что может быть использовано для целей перегрузочного управления и не используется в существующих алгоритмах.
Механизм перегрузочного управления работает селективно, применяя агрессивность и используя предсказанное свойство, когда оно гарантировано, а также увеличивает скорость данных, если предсказан пониженный уровень конфликтных ситуаций, и повышает этот уровень конфликтных ситуаций.
Механизм селективной агрессивности дает преимущество даже в случае кратковременно-зависимого трафика. Тем не менее этот механизм гораздо эффективнее при долговременно-зависимом трафике, что приводит к сравнительно большому выигрышу в производительности.
Предполагая, что будущее состояние сети предсказуемо с достаточной степенью точности, остается вопрос в том, что делать с этой информацией для улучшения сетевой эффективности. Выбор действий по большому счету ограничен сетевым контекстом и тем, какая степень свободы допустима. В традиционных настройках сквозной схемы перегрузочного управления сеть, которая разделяет ресурсы, рассматривается как черный ящик и для управления потоком доступна только одна переменная - интенсивность трафика.
Таким образом, пульсирующая структура (несмотря на пагубное влияние на эффективность сети, в частности на QoS) обладает строением, которое может быть использовано для ослабления негативного воздействия самоподобия трафика, и это следует учитывать. Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод, что чем трафик более долговременно-зависимый, тем более эффективно может быть использована его структура.
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #5, 2009
Посещений: 12912
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Multiplay" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
