Разработка и исследование моделей трафика для нового типа сетей – сетей с малыми задержками

Исторически построение сетей связи общего пользования (ССОП) ориентировалось на обслу­живание трафика передачи речи. Это было естественным для гомогенной телефонной сети общего пользования (ТфОП), а для гетерогенной пакетной сети связи следующего поколения (NGN), передача речи стала приложением, к которому предъявлялись более жесткие условия по задержкам [99]. Так продолжалось до появления приложе­ний, требующих меньших задержек, чем передача речи поверх IP. Эти приложения оказали существенное влия­ние на характеристики сетей связи следующего поколения. Поэтому, предлагается выделить такие сети в новый класс сетей и назвать их сетями с малыми задержками [27].

2.2.1. Эволюция требований по каче­ству обслуживания в сетях связи

Планирование аналоговых сетей ТфОП осуществля­лось, в основном, на базе моделей с по­терями с использованием для расче­та формулы Эрланга [9, 34]. При этом допустимые потери из конца в конец, например для городских сетей, составляли менее 5%, а потери на ступенях искания нормировались в пределах (2—5) 10^–3 [16]. Системы с ожиданием также применялись на аналоговых ТфОП, но весьма редко, разве что на ступени абонентского искания для нормирования длительности ожида­ния сигнала «Ответ станции» [22]. Создание цифровых ТфОП с точки зрения нормирования параметров QoS не вне­сло новых принципиальных идей, по­скольку сеть все равно оставалась го­могенной [13].

Появление концепции сетей связи следующего поколения [31, 100, 101] привело не только к пакетиза­ции сети связи общего пользования, но и к тому, что сеть стала гетерогенной со множеством прило­жений, потребовавших к тому же диф­ференциации классов и параметров качества обслуживания (QoS—Quality of Service) [99].

Кроме того, уже в последние годы в дополнение к имеющейся ме­трике QoS добавилась еще одна — качество восприятия (QoE — Quality of Experience), определяющая субъектив­ную оценку пользователем, например, качество видео [96]. Поскольку основ­ное внимание в данной главе уделяется ново­му классу сетей — сетям с малыми задержками, то подробнее остановимся на характеристиках QoS, регламенти­руемых в рекомендации Y.1541 Сектора Стандартизации Телекоммуникаций Международного Союза Электросвязи (МСЭ-Т).

Сети связи следующего поколения в отличие от предшествующих (предшествующих сетей) являются гетерогенными и, как следствие, могут предоставлять пользователю любые услуги. Одной из важнейших проблем при этом является обеспечение гарантированного уровня качества обслуживания (Quality of Service – QoS) для каждой услуги, причём требования к параметрам передачи по сети специфичны для разных приложений. Противоречивые требования QoS для разных услуг не позволяют просто объединить требования QoS к единым сетевым ресурсам.

В рекомендации ITU Y.1540 [98] определены следующие сетевые характеристики, как наиболее важные с точки зрения степени их влияния на качество обслуживания (от одного интерфейса пользователь-сеть User Network Interface (UNI) до другого интерфейса пользователь-сеть UNI):

§ пропускная способность;

§ надёжность сети/сетевых элементов;

§ задержка (мс) и джиттер задержки;

§ величина потерь (%);

§ живучесть сети – возможность сохранения работоспособности сети при выходе из строя отдельных элементов.

Пропускная способность сети (или скорость передачи данных) определяется как эффективная скорость передачи, измеряемая в битах в секунду. В рекомендации ITU-T Y.1540 не приведены значения пропускной способности для разных приложений; но, вместе с тем, отмечено, что параметры, связанные с пропускной способностью, могут быть определены с помощью рекомендации ITU-T Y.1221 [104].

Надёжность сети/сетевых (по-моему, здесь лучше использовать «сети, а также сетевых элементов») элементов может определяться рядом параметров, из которых чаще всего используется коэффициент готовности, представляющий собой отношение времени работоспособности объекта к времени наблюдения. В идеальном случае коэффициент готовности должен быть равен 1, что означает 100%-ю готовность сети.

Задержка передачи пакета (IPTD) определяется как время t₂ − t₁ между двумя событиями – поступлением пакета на исходящий UNI в момент t₁ и уходом пакета из входящего UNI в момент t₂, где t₂ > t₁ и t₂ – t₁ ≤ T_max.

В общем случае IPTD определяется как время доставки пакета от входа в сеть на UNI до выхода из сети с другого UNI для всех пакетов. Средняя задержка доставки пакета IP определяется как среднее арифметическое задержек пакетов, в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Рост нагрузки и уменьшение доступных сетевых ресурсов ведут к росту очередей в узлах сети и, как следствие, к увеличению средней задержки доставки.

Параметр v_k – вариация задержки IP-пакета (IPDV) между входной и выходной точками сети является отклонением значений задержки от заданной величины. Вариация задержки пакета IP, называемая также джиттером, проявляется в том, что регулярно передаваемые пакеты прибывают к получателю в нерегулярные моменты времени. В системах IP-телефонии это, к примеру, ведёт к искажениям звука и, в результате, к тому, что речь становится неразборчивой.

Коэффициент потери IP-пакетов (IPLR) определяется как отношение суммарного числа потерянных пакетов к общему числу переданных пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Если пакеты теряются, то при передаче данных возможна их повторная передача по запросу принимающей стороны.

Коэффициент ошибок IP-пакетов (IPER) определяется как отношение суммарного числа пакетов, принятых с искажениями, к сумме успешно принятых пакетов и пакетов, принятых с искажениями.

В таблице 2.4. приведены требования к параметрам качества обслуживания для различных классов обслуживания, предусмотренных в NGN. Как видим, наиболее жесткие требования к параметрам прописаны для нулевого класса обслуживания, который используется для передачи речи в реальном времени при расстояниях, не превосходящих наибольшие диагонали США (Сиэттл – Дайтона Бич) и Европы (Москва – Лиссабон), т.е. не превышающих 4000 – 4500 тысячи километров, что связано с длительностью распространения сигнала по каналам связи.

Таблица 2.4 – Классы и параметры качества обслуживания (Y.1541)

Сетевые характеристики	Классы QoS
Задержка передачи пакетов (IPTD – IP Time Delay)	100 мс	400 мс	100 мс	400 мс	1с	Н
Вариация задержки (джиттер) (IPDV – IP Delay Variance)	50 мс	50 мс	Н	Н	Н	Н
Коэффициент потери пакетов(IPLR– IP Loss Ratio)	1×10^-3	1×10^-3	1×10^-3	1×10^-3	1×10^-3	Н
Коэффициент ошибок пакетов (IPER –IP Error Rate)	1×10^-4	1×10^-4	1×10^-4	1×10^-4	1×10^-4	Н

Примечание: Н – не нормировано

Значения параметров, приведённые в таблице 2.4, представляют собой, соответственно, верхние границы для средних задержек, джиттера, потерь и искажений пакетов. Рекомендация Y.1541 [99] устанавливает также соответствие между классами качества обслуживания и приложениями:

§ Класс 0: Приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (VoIP, видеоконференции).

§ Класс 1: Приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, интерактивные (VoIP, видеоконференции).

§ Класс 2: Транзакции данных, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (например, сигнализация).

§ Класс 3: Транзакции данных, интерактивные приложения.

§ Класс 4: Приложения, допускающие низкий уровень потерь (короткие транзакции, массивы данных, потоковое видео).

§ Класс 5 Традиционные виды приложений в сетях IP.

Таким образом, сети связи следующего поколения планируются и проектируются исходя из предположения, что задержка не должна превышать 100 мс, а джиттер – 50 мс. Следует отметить, что, несмотря на требуемое малое значение джиттера, с указанным явлением достаточно успешно справляются за счет так называемых буферов деджиттеризации, созданных на базе одной из модификаций классического метода Token Bucket (ведро жетонов), позволяющего задавать любую функцию для времени обслуживания поступающих пакетов [32]. Что касается требований по коэффициенту потери пакетов и коэффициенту ошибок пакетов, то на сегодняшний день выполнение приведенных в таблице 2.4. норм не представляет больших сложностей.

Итак, 100 мс - наиболее критичный параметр качества обслуживания в рекомендациях МСЭ-Т и созданных на их основе к текущему моменту времени сетях NGN.

2.2.2. Новые виды трафика и ужесточе­ние требований к задержкам

В последние годы появились новые виды трафика, требующие ужесточения норм к задержкам. В таблице 2.5. представлены требования 3GPP [56] к задержкам и потерям для разных видов трафика, передаваемых с раз­личными приоритетами в системах современной мобильной связи при внедрении пакетной мультимедий­ной подсистемы IMS (IP Multimedia Subsystem) [52]. Наиболее приоритет­ным является трафик управления соединениями — трафик сигнализации, далее следует трафик передачи речи и третьим приоритетом обладает тра­фик игр в реальном времени.

Представленная таблица рассчи­тана на использование в мобильных сетях связи систем длительной эво­люции LTE (Long Term Evolution) [40, 48], в которых уже приняты меры по обеспечению длительности задержки, необходимой приложениям игр в ре­альном времени, т. е. 50 мс [81]. Это значение в два раза меньше, чем для передачи речи поверх IP, что требует существенного увеличения скорости доступа пользователя в сеть.

Таблица 2.5 – Требования к задержкам и потерям (3GPP, TS 23.203)

Приоритет	Задержки	Потери	Приложения
	100 мс	10^-6	Сигнализация IMS
	100 мс	10^-2	VoIP
	50 мс	10^-3	Игры в реальном времени
	150 мс	10^-3	Видеозвонки
	300 мс	10^-6	Потоковые услуги
	300 мс	10^-6	Web
	100 мс	10^-3	Интерактивные игры
	300 мс	10^-6	e-mail
	300 мс	10^-6	Загрузка файлов

В соответствии с [81] эволюция за­держек в системах, стандартизованных 3GPP, происходила следующим обра­зом. В системе 3G, реализованной по стандартам 3GPP 1999 года, задержка составляла 68 мс. Внедрение технологии высокоскоростного пакетно­го доступа HSPA (High Speed Packet Access) позволило снизить задержку в системах 3G до 51 мс, а при дальнейшей модификации этой технологии (до HSPA+) задержка стала менее 30 мс. Принципиальные изменения за­держки в системах сотовой подвиж­ной связи произошли при внедрении LTE. При обслуживании трафика по расписанию удалось добиться задер­жки в 20 мс, а при резервировании с предварительным распределением ресурсов — менее 15 мс.

Однако только появлением услуги игр реального времени, изменения требований к задержкам для современных сетей связи на сегодняшний день не исчерпываются.

В течение последнего времени существенно возросло внимание к так называе­мым системам электронного здоровья (e-health) [75]. Система e-health пред­ставляет собой глобальный подход к информатизации медицины и медицинских услуг, предусматриваю­щий использование современных се­тей связи достаточно высокого уров­ня развития для предоставления услуг электронного здоровья. В настоящее время в качестве­ таких сетей рассматриваются сети M2M [58].

Как видим, в таблице 2.1 среди параметров качества обслуживания для новых классов услуг системы e-health появляются требования к задержкам на уровне 10 мс.

Следует отметить, что очень сложно, в современных условиях обеспечить задержку в 10 мс даже в мегабитных сетях, что будет доказано в следующем разделе работы.

Гигабитные сети доступа

Как видим, внедрение новых услуг, таких как игры, в реальном времени и услуги системы e-health, требует существенно меньших задержек, чем при передаче речи поверх IP. Рассмотрим далее, какие новые требования могут быть предъявлены к сетям связи с малым задержками и как эти требования поддерживаются технологически уже в настоящее время.

На рисунке 2.9. изображена гипотетическая сеть, состоящая из восьми узлов, что соответствует рекомендации Y.1541, причем узлы со второго по седьмой соединены линиями связи с пропускной способностью 10 Гб/с, а первый со вторым и седьмой с восьмым – линиями связи с пропускной способностью 4 Мб/с (сети доступа). В качестве модели узла используем Систему Массового Обслуживания (СМО) с ожиданием и постоянным временем обслуживания[19, 45]. На узлы подается фоновый трафик, определяющий использование (загрузку) соответствующего узла (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9. Гипотетическая сеть из 8 узлов

Этот трафик обслуживается соответствующим узлом и выводится из системы (завершается). Наряду с фоновым трафиком, на вход первого узла поступает испытательный трафик, который после обслуживания передается на вход последующего узла. Интенсивность испытательного трафика много меньше интенсивности фонового трафика. Значения параметров функционирования оцениваются для испытательного трафика.

В качестве фонового трафика были выбраны два типа потоков: простейший поток и самоподобный поток с коэффициентом Хёрста H=0,8. В результате эксперимента получены зависимости средней величины задержки от нагрузки в Эрлангах. При моделировании загрузки всех узлов принимались равными. На рисунке 2.10. приведены результаты моделирования для сети доступа со скоростью 4 Мб/с.

Рисунок 2.10. Результаты моделирования для участка гипотетической сети

со скоростью 4 Мб/с

Как видим, при достаточно больших нагрузках значения задержек измеряются в десятках миллисекунд, как для простейшего, так и для самоподобного потоков. Последнее свидетельствует о том, что сети доступа с таким параметрами вряд ли могут обеспечить требования по качеству обслуживания не только для услуг системы e-health, но и для услуги игр реального времени.

На рисунке 2.11. представлены результаты моделирования для участка гипотетической сети со скоростью 10 Гб/c. В этом случае задержки измеряются в долях миллисекунд, что позволяет говорить о готовности такой сети к предоставлению услуг e-health, а тем более и услуги игр реального времени. Остается только проанализировать технологические достижения в области сетей доступа, что сделаем применительно к беспроводным сетям доступа.

Рисунок 2.11. Результаты моделирования для участка гипотетической сети

со скоростью 10 Гб/с

В рамках работ по 12 версии систем длительной эволюции предусмотрено достижение пиковых скоростей в 3 Гб/с [71]. В новых стандартах рабочей группы IEEE 802.11, которые именуются как IEEE 802.11ac и IEEE 802.11 ad, предусматриваются скорости доступа в 3,6 Гб/с и 7 Гб/с соответственно. Таким образом, технологически внедрение сетей с малыми задержками поддержано уже сегодня.