СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЗМАМИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ В МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ СВЯЗИ

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для обеспечения качества обслуживания в мультисервисной сети связи.

Известно изобретение «Способ и система продвижения транспортных потоков с гарантированным качеством сервиса (QoS) в сети, работающей с протоколом IP» по патенту RU №2271614, H04L 12/28, опубл. 10.03.2006, заключающееся в том, что в сетях доставки функцию выбора маршрута для пакетов услуг, требующих гарантированного качества сервиса QoS, выполняют менеджеры ресурсов сети доставки на уровне управления каналом передачи. После завершения выбора маршрута в соответствии с условиями занятости сетевых ресурсов менеджеры ресурсов сети доставки контролируют пограничные маршрутизаторы таким образом, чтобы транспортные потоки могли проходить согласно пути, назначенному менеджером ресурсов в сети доставки с помощью технологии многоуровневого стека меток. Недостатком известного способа является то, что в нем не учитываются статистические свойства входящего в сеть потока данных, а обеспечение качества ориентировано на изменение маршрута следования пакетов.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявляемому является «Способ анализа сетевого трафика» - патент RU №2362272, H04L 12/56, опубл. 20.07.2009. Сущность известного изобретения заключается в фильтрации прореживающими логическими схемами с установленными параметрами прореживания последовательности поступающих в телекоммуникационную сеть единиц трафика и определении оценки распределения единиц трафика по частоте появления путем одновременных вычислений оценок частоты появления в нескольких диапазонах значений. Дополнительно производится оценивание математического ожидания времени поступления единиц трафика путем одновременного вычитания значений единиц трафика соседних диапазонов с последующим умножением результатов на относительные частоты появления соответствующих распределений единиц трафика. Затем на основе полученного результата рассчитывается автокорреляционная функция случайного процесса, характеризующего время поступления единиц трафика, и осуществляется расчет весовых коэффициентов фильтра авторегрессии, на основании которых осуществляется прогнозирование времени поступления к+1, 2…n единицы трафика. Таким образом, осуществляется прогнозирование величин частоты поступления единиц трафика или времени между приходом отдельных его единиц. Далее производится сравнение параметров спрогнозированного и реального трафика по критерию Пирсона, на основании которого делается вывод о степени корреляции единиц трафика, что позволяет определить факт изменения параметров текущего трафика относительно параметров трафика - эталона.

Недостатком известного способа-прототипа является невозможность его применения для решения задачи обеспечения качества обслуживания в мультисервисной сети связи при передаче трафика с изменяющимися статистическими свойствами, то есть способ-прототип имеет ограниченные функциональные возможности.

Задачей изобретения является создание способа управления механизмами обеспечения качества обслуживания в мультисервисной сети связи, позволяющего обеспечить качество обслуживания за счет снижения коэффициента загруженности очередей в маршрутизаторах при передаче трафика с изменяющимися статистическими свойствами.

Задача решается тем, что способ управления механизмами обеспечения качества обслуживания в мультисервисной сети связи, заключающийся в том, что принимают последовательности единиц трафика, производят их фильтрацию прореживающими логическими схемами, определяют оценки распределения единиц трафика по частоте появления, рассчитывают математическое ожидание времени поступления единиц трафика, сравнивают по критерию Пирсона статистические свойства трафика, согласно изобретению дополнен тем, что после расчета математического ожидания времени поступления единиц трафика устанавливают эталонные профили трафика с известными значениями математических ожиданий, сравнивают статистические свойства эталонного и принимаемого трафика, на основе проведенного сравнения определяют тип принимаемого трафика, в зависимости от типа принимаемого трафика выбирают выходной интерфейс, выбирают другой или оставляют прежним механизм обслуживания очередей, передают информацию о типе принимаемого трафика на соседний маршрутизатор.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного способа, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Новизна». Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что оно не следует явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».

Способ управления механизмами обеспечения качества обслуживания в мультисервисной сети связи может быть реализован следующим образом.

Первым маршрутизатором (Edge Router1, фиг. 5) домена мультисервисной сети принимаются последовательности единиц трафика (блок 1, фиг. 1), производится фильтрация единиц трафика прореживающими логическими схемами (блок 2, фиг. 1). Далее определяются оценки распределения единиц трафика по частоте появления (блок 3, фиг. 1).

Процедуры фильтрации единиц трафика прореживающими логическими схемами, заимствованные из способа-прототипа, позволяют сформировать вариационный ряд. В простейшем случае вариационный ряд может быть представлен таблицей 1, первый столбец которой содержит всевозможные значения (варианты) x_i генеральной совокупности, а во втором - числа n_i - частоты появления i-го значения.

Отношение n_i/n является относительной частотой и отражает вес того или иного значения в выборке. Сумма относительных частот равна единице.

Следующим этапом рассчитывается математическое ожидание времени поступления единиц трафика (блок 4, фиг. 1).

Для расчета математического ожидания, если имеется вариационный ряд, используется формула

где n - объем выборки, m - количество вариантов.

Далее устанавливаются эталонные профили трафика с известными значениями математических ожиданий (блок 5, фиг. 1). На основе эмпирических исследований, изложенных в [Степанов С.Н. Основы телетрафика мультисервисных сетей. - М.: Эко-Трендз, 2010. - 392 с.], для мультисервисных сетей связи выделены четыре типовых профиля трафика, которые могут быть различимы по параметрам закона распределения времени поступления пакетов в сеть. В таблице 2 представлен вариант задания эталонных профилей, который, исходя из особенностей трафика конкретной мультисервисной сети связи, может быть модифицирован.

Для обработки единиц трафика различных типов на интерфейсах маршрутизаторов мультисервисной сети связи могут применяться различные механизмы обслуживания очередей, направленные на обеспечение качества обслуживания. Среди них выделяют [Вегешна, Шринивас. Качество обслуживания в сетях IP.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. - 368 с.: ил.]:

- механизм FIFO (First In, First Out - «первым пришел, первым вышел») - эффективен для обработки низкоинтенсивного трафика (тип «А»);

- механизм PQ (Priority Queuing - очередь с абсолютными приоритетами) - эффективен для обработки среднеинтенсивного трафика (тип «Б»);

- механизм CQ (Custom Queuing - настраиваемая очередь) - эффективен для обработки среднеинтенсивного трафика (тип «В»);

- механизм WFQ (Weighted Fair Queuing - взвешенная справедливая очередь) эффективен для обработки высокоинтенсивного трафика (тип «Г»).

Далее осуществляется сравнение статистических свойств принимаемого и эталонного трафика по критерию Пирсона (блок 6, фиг. 1). Для этого используются значения рассчитанных математических ожиданий трафика, на основе которых производится расчет значения коэффициента R_xy по формуле

где x_i - значения, принимаемые в выборке X (принимаемый трафик), - его математическое ожидание, y_i - - значения, принимаемые в выборке Y (трафик эталонного профиля), - его математическое ожидание.

Далее на основе проведенного сравнения определяется тип принимаемого трафика (блок 7, фиг. 1). Вывод о схожести принимаемого трафика и одного из четырех эталонных профилей делается по максимальному значению рассчитываемого коэффициента Пирсона.

Далее на основе таблицы маршрутизации маршрутизатора выбирается выходной интерфейс (блок 8, фиг. 1), для которого выбирается другой или оставляется прежним механизм обслуживания очередей в зависимости от типа принимаемого трафика (блок 9, фиг. 1).

Далее передается информация о типе принимаемого трафика на соседний маршрутизатор (блок 10, фиг. 1).

Для оценивания эффективности технического результата предлагаемого способа разработан испытательный стенд, состоящий из семи маршрутизаторов Cisco 2811 (Router 1-7) и двух мультимедийных терминалов (Терминал 1-2) на базе ПЭВМ (фиг. 2). На маршрутизаторах произведена настройка протоколов маршрутизации OSPF, RIP.

Эксперимент по оцениванию эффективности проводился в два этапа:

1 этап - произвольная настройка механизмов QoS;

2 этап - настройка механизмов QoS с учетом типа входящего трафика.

Источниками нагрузки выступали программные терминальные средства с возможностью изменения типа взаимодействия: видео, звук, данные. Эксперимент проводился в течении двух часов с фиксацией значений коэффициента загруженности очередей K_загр маршрутизатора каждые 15 минут. Коэффициент K_загр определялся по формуле

где k_зi - задействованный объем памяти i-го интерфейса маршрутизатора, K_oi - общий объем очереди i-го интерфейса маршрутизатора, N - количество задействованных интерфейсов.

Текущие значения загруженности очередей определялись с использованием встроенных возможностей маршрутизатора. Значения коэффициента K_загр для первого и второго этапа эксперимента представлены в таблице 3.

Динамика изменения коэффициента загруженности очередей во времени при использовании различных механизмов обеспечения QoS без учета (1 этап) и с учетом типа принимаемого трафика (2 этап) представлена на графике (фиг. 3).

Для расчета эффекта технического результата S предлагаемого способа, получаемого для каждого из маршрутизаторов используется следующее выражение:

где K₁ - среднее значение коэффициента загрузки очередей на 1 этапе, K₂ - среднее значение коэффициента загрузки очередей на 2 этапе.

Исходя из результатов, полученных в ходе эксперимента, рассчитаны средние значения коэффициентов загрузки очередей K₁ и K₂ для каждого из маршрутизаторов и представлены в таблице 4.

Усредненное значение коэффициента загруженности очередей на всех маршрутизаторах для 1 этапа составил 0,532, для 2 этапа - 0,369.

Таким образом, значение коэффициента загруженности очередей в маршрутизаторах мультисервисной сети, учитывающих тип входящего трафика, в среднем снизилось на 30%, что свидетельствует о полученном положительном эффекте.

Заявленный способ может быть реализован в виде распределенного устройства, осуществляющего управление политикой качества обслуживания (фиг. 4-5).

Блок приема трафика 1 (фиг. 4) реализует процедуры блока 1 (фиг. 1), цифровой фильтр 2 (фиг. 4) реализует процедуры блока 2 (фиг. 1), блок расчета 3 (фиг. 4) реализует процедуры блоков 3, 4 (фиг. 1), блок эталонные профили трафика 4 (фиг. 4) реализует процедуры блока 5 (фиг. 1), блок сравнения 5 (фиг. 4) реализует процедуры блока 6, 7 (фиг. 1), блок выбора выходного интерфейса 6 (фиг. 4) реализует процедуры блока 8 (фиг. 1), блок определения текущего типа трафика 7 (фиг. 4), блок сравнения 8 (фиг. 4) и блок выбора механизма обслуживания очередей 9 (фиг. 4) реализуют процедуры блока 9 (фиг. 1), блок передачи информации о типе принимаемого трафика 10 (фиг. 4) реализует процедуры блока 10 (фиг. 1).

Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков появляется возможность управления механизмами обеспечения качества обслуживания в мультисервисной сети. Предлагаемый способ может быть использован в подсистемах и звеньях управления технологическими процессами в мультисервисных сетях связи.