В рубрику "Учрежденческие АТС" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Исследования характера сигнального трафика IP-коммуникаций

Александр Росляков
Д.т.н., профессор ПГУТИ

Михаил Кашин
Аспирант ПГУТИ

Уточним понятия

С начала 1990-х гг. проведено множество теоретических и практических исследований, доказывающих наличие эффекта самоподобия в трафике сетей различного вида. Появление первых работ в этой области совпало с началом новой эпохи в телекоммуникациях - появлением IP-телефонии. В настоящее время и теория самоподобия (фракталов), и IP-телефония продолжают бурно развиваться, что подтверждается большим количеством исследований и разработок по этим направлениям. Постепенно фрактальные свойства сетевого трафика становятся основополагающими при исследовании и проектировании сетей с пакетной передачей данных. Свойство самоподобия было найдено в трафике разных уровней модели OSI - транспортного (TCP/UDP/SCTP) и прикладного (FTP, Telnet, HTTP, RTP). Для этих видов трафика разработаны соответствующие методы расчета и прогнозирования нагрузки.

В то же время IP-телефония постепенно расширяет свои границы, и сейчас это уже не просто услуга для голосового соединения двух абонентов. Она включает в себя видеовызовы, многоточечные конференции разного типа (видео, аудио, Web), передачу сообщений, документов, контроль доступности абонентов, роуминг и др. В связи с указанными изменениями название "IP-телефония" перестало точно отражать суть предоставляемых услуг, и целесообразно использовать термин "IP-коммуникации" для описания технологии предоставления всех вышеуказанных услуг.

Подходы к описанию сетевого трафика

"Классические" методы сетевых расчетов и моделирования, основанные на пуассоновских моделях, предполагали, что все поступившие в исследуемую систему вызовы взаимно независимы и интервалы времени между приходом двух последующих вызовов распределены согласно экспоненциальному закону. В то же время самоподобный трафик обладает медленно убывающей автокорреляционной функцией, плотность распределения вероятности интервалов между моментами прихода двух последовательных вызовов подчиняется степенному закону. Одно из важных свойств самоподобия трафика - сохранение своей структуры в разные масштабы времени. Из-за таких свойств самоподобного трафика традиционные методы расчета характеристик функционирования сетей дают слишком оптимистические результаты и приводят к недооценке реальной нагрузки.

Во всех исследованиях, посвященных изучению трафика IP-коммуникаций, можно выделить два основных подхода к описанию сетевого трафика:

на уровне вызовов;
на уровне пакетов.

При использовании первого подхода весь трафик в пакетной сети рассматривается как поток отдельных вызовов, поступающих на исследуемую систему. В данном случае задача исследователей сводится к определению того, насколько трафик IP-коммуникаций отличается от традиционного телефонного трафика и насколько эти отличия (если таковые имеются) изменяют основные параметры, применяемые при расчете и проектировании сетей IP-коммуникаций.

Задача исследования сетевого трафика на уровне вызовов сводится к определению двух его основных характеристик:

вероятностному закону распределения длительностей интервалов между вызовами, поступающими на исследуемую систему;
вероятностному закону распределения длительностей этих вызовов.

Большинство исследователей сходятся во мнении, что первое распределение достаточно точно описывается пуассоновской моделью, однако второе распределение лучше описывается степенными законами, выбор которых зависит от множества различных критериев.

Второй подход к исследованию сетевого трафика основывается на том факте, что, в отличие от традиционной телефонии, в IP-коммуникациях передача любых сообщений осуществляется с помощью технологии коммутации пакетов, это накладывает свои особенности на исследуемые характеристики (изменение нагрузки во времени, размер буферов узлов сети, длины очередей в этих буферах и т.д.). При исследовании трафика IP-коммуникаций на уровне пакетов возможно произвести его декомпозицию для упрощения и конкретизации целей и объектов исследования. Весь трафик IP-коммуникаций на уровне пакетов можно разделить на две основные составляющие:

сигнальный трафик - трафик сигнальных сообщений, передаваемых для установления, изменения и разрушения сеанса связи между узлами в пакетной сети;
медиатрафик - трафик передачи информации пользователей (голосовых сообщений, видеосообщений и данных).

Каждый из этих типов трафика использует свои протоколы передачи и имеет различные требования к качеству обслуживания (Quality of Service -QoS), таким как задержка (delay), джиттер (jitter) и потери пакетов (packet loss).

Например, для передачи медиатрафика реального времени (голосовые и видеосообщения) используются два основных протокола RTP/RTCP (Real-Time Protocol/Real-Time Control Protocol). Такой тип трафика является чувствительным к задержке и джиттеру и не очень чувствителен (в зависимости от используемого алгоритма кодирования речи) к небольшим потерям пакетов.

В имеющихся теоретических исследованиях медиатрафика используются различные предположения относительно распределения, аппроксимирующего RTP-трафик, его свойств и методов моделирования, однако большинство из них сходятся на нескольких выводах:

традиционные модели (Пуассона), применяемые для описания телефонной нагрузки, недостаточно точно описывают медиатрафик;
причинами различий полученных моделей трафика между собой могут быть различные способы реализации механизма определения голосовой активности VAD, размер и тип исследуемой сети IP-коммуникаций, тип протокола сигнализации, дополнительные функции, выполняемые сетью, человеческий фактор и др.;
функция распределения длительности активных и неактивных периодов источников нагрузки (ON/OFF) для RTP-трафика имеет больше степенной характер, нежели экспоненциальный;
агрегированный трафик от множества источников вида ON/OFF обладает самоподобными свойствами.

Сигнальный трафик в IP-коммуникациях может передаваться с помощью различных протоколов, основные из которых SIP, H.323, MGCP, H.248/MEGA-CO, SIGTRAN и др. Несмотря на широкое использование вышеуказанных и других протоколов, в последнее время особую популярность приобрел протокол инициации сеансов SIP (Session Initiation Protocol), что объясняет его использование в качестве основного протокола в сетях следующего поколения NGN, стандартизируемых организациями 3GPP (3rd Generation Partnership Project) и ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Данный тип сигнализации характеризуется относительно небольшой чувствительностью к параметрам QoS, однако перегрузки в сети могут привести к значительному увеличению времени установления соединения или даже к невозможности его установить.

Самоподобие сигнального трафика

Трафик сигнализации IP-коммуникаций в основном исследовался на предмет расчета параметров QoS, таких как средняя задержка установления соединения, вероятность отказа в установлении соединения. Для протокола SIP были разработаны специальные методики расчета таких параметров. Также были разработаны механизмы предотвращения перегрузок в сети сигнализации, однако в их основе лежат простейшие подходы, такие как введение порогов обнаружения перегрузки буфера обработки сообщений, изменение таймеров ретрансляции, наращивание производительности оборудования.

Самоподобие сигнального трафика впервые было найдено в трафике системы сигнализации ОКС № 7, который благодаря некоторым своим особенностям очень похож на трафик IP-коммуникаций:

все сообщения сигнализации ОКС № 7 передаются в виде пакетов и сообщений, а сама "наложенная" сеть ОКС может рассматриваться как сеть с коммутацией пакетов;
процесс обмена сигнальными сообщениями на различных уровнях стека ОКС № 7 очень похож на соответствующие процессы в различных системах сигнализации IP-коммуникаций (SIP, H.323);
в некоторых случаях требуется передача сообщений протокола ОКС № 7 посетям IP, для чего существуют несколько транспортных протоколов (SIGTRAN, SIP-T).

Следовательно, можно предположить, что некоторые выводы относительно свойств трафика ОКС № 7 могут быть применимы и к сигнализации IP-коммуникаций. Если доказать, что трафик протокола SIP является самоподобным, то можно будет разработать эффективные и точные методы обнаружения и предотвращения перегрузок.

Для проверки данной гипотезы авторами было произведено исследование статистических данных о трафике протокола SIP, полученных на сети одного из крупнейших российских операторов IP-телефонии. Узел, на котором собирались данные, в архитектуре протокола SIP представлял собой Full State Proxy/Register/Redirect, то есть SIP-проксисервер, участвующий во всех фазах установления/разрушения вызова (голос, видео, факс), сервер регистрации и сервер переадресации. Также данный узел реализовывал различные дополнительные виды обслуживания (ДВО), как традиционные в сети ISDN (удержание вызова, переадресация, ожидание вызова и др.), так и специфические ДВО для сетей на базе протокола SIP (регистрация одного номера за несколькими устройствами, передачи сообщений и др.). Абоненты, зарегистрированные на сервере, принадлежали как деловому (бизнес) сектору, так и сектору домашних абонентов. В качестве абонентских устройств использовались как обычные аналоговые телефоны, так и цифровые телефоны с функцией передачи видео и текстовых сообщений. Таким образом, сигнальный трафик в сети был разнородным и по своей структуре непохожим на сигнальный трафик в традиционных телефонных сетях.

Выводы и результаты

Собранные статистические данные представляли собой временные метки прихода различных сообщений протокола SIP (типа INVITE, NOTIFY, OPTION и др.), взятые из сигнальной трассировки, полученной с помощью программы WireShark (Ex-Ethereal). Точность временных отчетов - до 1x10G с. Данные на сети собирались круглосуточно в течение недели. В итоге было получено около 5 млн временных отметок.

Прежде всего, полученный временной ряд был проанализирован на предмет наличия в нем основных свойств самоподобного трафика:

наличие долговременной или медленно убывающей зависимости процесса, которая проявляется, когда его автокорреляционная функция убывает гиперболически (постепенному закону);
наличие "1/f-шума", когда спектральная плотность области низких частот неограниченно возрастает, стремясь к бесконечности при стремлении частоты к нулю;
наличие "тяжелохвостого" распределения - данное распределение имеет медленное, гиперболическое убывание "хвоста", в отличие от "легкохвостых", имеющих экспоненциальное, быстрое убывание "хвоста";
наличие медленно убывающей дисперсии - дисперсия агрегированного процесса убывает медленнее, чем величина, обратная выборке агрегации m (для достаточно больших m).

В результате проведенных исследований собранных статистических данных было выявлено, что трафик сигнализации SIP обладает всеми вышеперечисленными свойствами самоподобия.

Была произведена также оценка различными методами (R/S-статистика, дисперсионный анализ, периодограммный, абсолютных моментов, дисперсии остатков, ЭрбиВитча, Виттла) параметра Херста (H), который может являться мерой самоподобия процесса. Значения параметра 0,5 < Н < 1 определяют степень самоподобия. Чем ближе параметр Н к 1, тем больше процесс самоподобен, то есть тем больше вероятность того, что если процесс возрастал/убывал в предыдущие промежутки времени, то он будет продолжать рост/убывание и дальше. В случае H = 0,5 можно говорить о полном отсутствии самоподобия, то есть приращения процесса на предыдущих шагах никак не повлияют на приращения в последующих шагах. В случае если значения параметра лежат в пределах 0 < Н < 0,5 , то вероятность того, что на следующем шаге процесс отклонится в сторону, противоположную той, в которую он отклонялся на предыдущем, тем выше, чем ближе параметр H к нулю.

В результате проведенных оценок различными методами в среднем значение параметра Херста для исследуемого ряда находится в пределах 0,6 < Н < 0,8, что позволяет сделать вывод о том, что исследуемый трафик действительно является самоподобным, то есть обладает долгой памятью.

Наличие всех основных свойств самоподобного трафика и оцененное значение параметра Херста позволяют сделать вывод о том, что трафик сигнализации SIP действительно является самоподобным. Полученные результаты могут быть использованы для построения более точного прогноза сигнального трафика протокола SIP для целей управления и маршрутизации трафика в пакетных сетях, использующих протокол SIP.

Опубликовано: Каталог "АТС. Коммутационное оборудование"-2009
Посещений: 18842

Статьи по теме

Автор