CC BY
85
УДК004.77:004.738.2
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ АДАПТАЦИИ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ПОТОКОВ ДАННЫХ В КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ НА ОСНОВЕ ПРОТОКОЛА RRAP
САЕНКО В.И., СНУРНИКОВ О.М.________________
Рассматриваются вопросы исследования модифицированного метода адаптивной передачи потока данных RRAP для компьютерных сетей с участками типа «узкое горло». Приводятся результаты имитационных исследований, предлагаются наилучшие значения настроечных параметров. Исследования проводились в научно-исследовательской лаборатории «Менеджмент компьютерных сетей» (NM Lab) в ХНУРЭ.
1. Описание проблемы и анализ известных результатов исследований
Протоколы и методы передачи потоков аудио- и видеоданных должны обеспечивать как возможность максимального использования доступных ресурсов компьютерной сети (при этом не допуская перегрузок сети), так и справедливость распределения этих ресурсов между потоками. Наибольшее распространение получили методы адаптивной передачи потоков данных [1-5]. К их достоинствам относится способность подстраивать характеристики передачи к изменению свойств передающей среды. К недостаткам можно отнести временные задержки при определении состояния сети и нестабильность управления скоростью передачи потока данных при адаптации к изменениям загрузки сети [1, 8, 9].
2. Постановка задачи и описание объекта исследования
Описание среды существования процесса передачи потоковых данных. Пусть задана многосегментная компьютерная сеть с неоднородными (с точки зрения полосы пропускания и задержек) участками передачи данных. В этой сети осуществляется одноадресная передача одного или более потоков мультимедиаданных. Каждый из передаваемых потоков проходит через множество сегментов от узла-источника до узла-получателя, на которых функционируют, соответственно, приложение-источник и приложение-получатель. На пути потока может находиться канал связи с некоторой минимальной доступной пропускной способностью, который считается «узким горлом» для данного потока. Пусть процесс передачи осуществляется с использованием протокола RRAP [1]. Выделяется несколько процессов выполнения (рис.1): передача данных (1), обновление скорости передачи (3), получение ACK (2), внесение аддитивной стохастической составляющей (4).
Описание метода адаптации RRAP [1]. Процесс передачи данных представляет собой поочередную передачу пакетов фиксированного размера с периодом, значение которого обозначено как IPGt (InterPacket Gap, межпакетный интервал).
Рис. 1. Схема передачи сообщений и данных протокола RRAP
RAP является специализированным адаптивным протоколом контроля перегрузок сети при трансляции аудио- и видеоданных [3, 6]. Особенностями данного протокола являются использование уровня потерь пакетов в канале передачи данных для оценки состояния сети [3,5] и применение алгоритма аддитивного наращивания и мультипликативного сброса скорости передачи (AIMD, Additive Increase Multiplicative Decrease). В работе [1] было показано, что в условиях одновременной передачи нескольких потоков через общее «узкое горло» сети возникает эффект взаимной синхронизации потоков и резко понижается качество обслуживания. Там же был предложен модифицированный метод RRAP и на примерах показано его преимущество.
Нерассмотренными остались вопросы исследования поведения предложенного метода в различных режимах его использования, а также вопросы поиска оптимальных режимов такого рода.
Цель исследования - выявление наилучших значений настроечных параметров для основанных на RRAP [ 1 ] методов адаптивного управления потоками данных в компьютерной сети.
64
Для режимов функционирования, при которых производится одновременная передача нескольких потоков через общее «узкое горло» в сети, наблюдается эффект взаимной синхронизации скорости передачи [ 1 ], который приводит к увеличению длительности переходного процесса Т* для каждого из потоков (рис. 2).
S, Кб/с -
-Поток 1
Рис. 2. Диаграмма изменения скорости передачи данных
РИ, 2007, № 1
Как видно из рис.2, в моделируемых условиях каждый из потоков RRAP изменяет скорость передачи данных. Изменение скорости каждого из потоков на начальном этапе имеет колебательный характер, с
*
длительностью переходного процесса T примерно 25 секунд (см. рис. 2). В течение этого времени
размах колебаний (см. значения Smm и Smax , рис.
2) является значительным относительно установившегося режима. Такой характер передачи приводит к снижению качества работы приложения, использующего протокол RRAP.
Скорость передачи на любом i-м шаге определяется
(рис.3) как Si
PacketSize
IPGi
Передача данных
Коррекция
SRTT
----------------------------------МГ
Рис. 3. Временная диаграмма выполнения процессов RRAP
и пересчитывать SRTT через интервал ф :
SRTTj = (ю * SRTTj_j + (1 - ro)RTTj_j)* (1 + а(0.5 - у)),
(4)
где у - случайное значение, равномерно распределенное в интервале [0..1]; а - коэффициент, определяющий разброс значений оценки SRTT. Значение SRTT является входным параметром для управления скоростью, и корреляция между вычисляемыми значениями SRTT для каждого из потоков является причиной синхронизации колебаний.
Внесение составляющей выполняется с фиксированным интервалом времени ф , таким, что
Ф<< min(min(IPG), min(RTT)) (5)
В итоге, если перегрузки сети не обнаружены, происходит периодическое изменение (наращивание) значения скорости передачи данных за счет изменения межпакетного интервала. В случае обнаружения перегрузок сети происходит немедленное снижение скорости передачи данных Si+1 =PSi, где 0 <Р< 1 -коэффициент сброса скорости при перегрузке. Сигналом о возникновении перегрузок сети для RRAP является факт наличия потерь пакетов при передаче потока.
Анализ, проведенный в [1], показал, что основными параметрами, влияющими на свойства самосинхронизации алгоритма, являются а, ф . Будем называть эти параметры - настроечными. Дополнительное влияние на хар актер истики работы мето да оказывают переменные Р, ю.
Постановка задачи. В соответствии с изложенным выше формулируется задача:
Поскольку значение PacketSize является неизменным в течение сеанса связи, для изменения скорости передачи данных изменяется значение
тт^, IPGj * SRTT
IPGj+i =---------- (1)
IPGi + SRTTi . (1)
Обновление значения SRTT осуществляется в соответствии с методом Джекобсона/Карела [10]:
SRTTj = ю * SRTTj_j + (1 - ю)* RTTj, (2)
где RTTj - значение RTT (Round Trip Time) на текущем шаге, определяемое как RTTj = tA°K -1 ■;
t ACK , j j J
t j - время получения квитанции; tj - время отправ-
ки пакета, для которого была получена квитанция; ю - параметр, определяющий степень сглаживания оценки RTT для устранения влияния скачкообразных кратковременных перегрузок сети.
Для устранения корреляции колебаний скорости передачи (см. рис. 2) в [1] было предложено вносить аддитивную стохастическую составляющую:
SRTT* = SRTTj + SRTTj * а * (0.5 - у) (3)
- выявить влияние параметров а, ф на основные свойства алгоритма управления скоростью передачи данных RRAP и найти наилучшие условия работы метода RRAP при изменении а, ф, р , ю .
Объектом исследований является модифицированный метод передачи потоков данных на основе протокола RRAP.
3. Метод исследований
Для рассмотрения свойств алгоритма RRAP предлагается сформировать некоторый обобщенный показатель качества. Предлагается для показателя качества работы алгоритма рассматривать значение интервала Т*. Далее полагаем, что меньшее значение интервала Т * соответствует более высокому качеству
работы протокола. При больших значениях Т* наблюдается запаздывание передачи данных, неравномерность передачи потока и кратковременные перегрузки каналов. Это сказывается на использовании ресурсов сети в целом и при значительном числе передаваемых потоков может приводить к очень ощутимым потерям качества сервисов.
РИ, 2007, № 1
65
Результаты исследований, приведенные в [1], показали, что величина интервала Т зависит от параметров самого метода а, ф, т.е. существует некоторая T* = F1 (а, ф) .
Следовательно, критерий качества работы соответствующего алгоритма (реализации метода) можно записать как
T* ^ min, T* = F1 (а, ф). (6)
Исследование поведения алгоритмов управления потоками проводилось с использованием системы имитационного моделирования пакетных сетей ns-2 [8] в р амках специально разработанной методики.
Для проведения моделирования использовалась топология, взятая из [1] (рис. 4).
Рис. 4. Схема топологической структуры моделируемого участка сети
Пусть есть компьютерная сеть, заданная узлами (S1, S2, R1, R2, D1, D2) и каналами передачи данных. Пусть в сети имеется участок с «узким горлом» (R1, R2). В сети имеются серверы вещания - источники (S1, S2) и станции-получатели (D1, D2). Пусть существуют два потока (поток 1, поток 2). Каналы связи имеют следующую пропускную способность C(S1, R1) = C(S2, R1) = C(D1, R2) = C(D2, R2) = 1,5 Мб/с. Полоса пропускания «узкого места» сети составляет 0,5 Мб/с, C(R1, R2) = 0,5 Мб/с. Для каналов связи, не являющихся узкими местами сети, полоса пропускания общих каналов значительно (в 3 раза) превышает полосу пропускания «узкого места». Задержки в каналах равны d(S1,R1) = d(S2, R1) = d(R2, D1) = d(R2, D2) = 10 ms, d(R1, R2) = 150 ms. Длина очереди на промежуточных (маршрутизирующих) узлах R1 и R2 составляет 32 пакета.
Производилось моделирование передачи двух потоков RRAP в течение 100 секунд, передача обоих потоков начиналась одновременно на 4-й секунде от момента начала моделирования и завершалась по завершению моделирования. Период снятия измеряемых значений составлял S секунды.
В процессе моделирования варьировались параметры а и ф . Параметр а принимал значения от 0,05 до 0,95 с шагом 0,05. Параметр ф принимал значения от 0,0005 до 0,005 с шагом 0,0005.
4. Результаты исследований
Исследование влияния изменения а на характеристики качества передачи данных. На рис. 5 представлены результаты исследований T* = F(a) при Ф є [0.001;0.008]. На рис. 6 даны результаты исследо-
ваний T* = F^) при а є [0.3;0.7], а на рис. 7 -результаты исследований T* = F(a, ф).
Как видно из рис. 5, рост значения а до 0,4 приводит к значительному уменьшению времени колебаний T *. Очевидно, что область наилучших значений а є [0.4;0.95]. Сравнивая графики рис. 5 при различных ^, можно сделать вывод, что влияние ф при этом невелико.
Рис. 5. Результаты исследований T* = F(a) при фє [0.0001;0.008] (аппроксимация)
- -□— a = 0.4 —А— a = 0,6
--Ж--а = 0,8
Рис. 6. Результаты исследований T* = F(a) при фє [0.0001;0.01] (аппроксимация)
66
РИ, 2007, № 1
Исследование влияния Ф на характеристики качества передачи данных. Из рис.6 видно, что влияние ф значимо только при значениях а , начиная с 0,4. При этом область наилучших значений интервала T* соответствует ф < 0.005 .
Сглаженная поверхность представления функции T* = F(a, ф) приведена на рис. 7.
Рис. 7. График изменения длительности переходного процесса T* = F(a, ф)
Анализируя зависимость T* = F(a, ф) из рис. 7, можно утверждать, что область наилучших значений лежит в границах 0.0005 < ф < 0.005 и 0.4 <а < 0.6 .
Можно выделить область а є [0.4;0.6], в которой получаем наилучшие значения для интервала T *. Из рис. 7 также видно, что изменение ф незначительно влияет на параметр t *. Во всяком случае, при значениях 0.0005 < ф < 0.005 мы имеем наилучшие значения т *. При увеличении Ф эффект взаимной синхронизации начинает проявляться при все более высоких значениях а . Уменьшение Ф создает большую вычислительную нагрузку на источник, заставляя пересчитывать основные характеристики передачи данных через интервалы Ф. Таким образом, существует нижняя граница для Ф, обусловленная вычислительной мощностью сервера. Наши рекомендации -а є [0.4;0.9], ф є [0.0005;0.005].
Динамика изменения скорости передачи потоков (при значении а = 0,45 ) показана на рис. 8.
Исследование влияния р, ю на характеристики качества передачи данных. Настроечные параметры Р, ю являются фактически параметрами метода Дже-кобсона-Карела [10]. Параметр р используется для уменьшения скорости при обнаружении перегрузки, а параметр ю определяет степень сглаживания измеряемых значений RTT.
Как показывают результаты проведенного имитационного моделирования, варьирование значения ю оказывает некоторое влияние на рассматриваемые свой-
ства алгоритма. При уменьшении значений этого параметра алгоритм более чувствителен к вариациям измеряемых значений RTTt (см. (4) ) и менее чувствителен к изменениям SRTT. В результате реакция на изменения в загрузке сети несколько ускоряется; в то же время возрастает влияние скачкообразных перегрузок на качество работы алгоритма. При увеличении значений параметра ю алгоритм более чувствителен к изменениям SRTT и менее чувствителен к изменениям RTT. Это проявляется в том, что чувствительность алгоритма к влиянию кратковременных перегрузок снижается, но, в то же время, замедляется реакция на долговременные изменения в нагрузке сети. Эти изменения не связаны со свойствами взаимной синхронизации колебаний скорости передаваемых потоков.
S, Кб/с
Рис. 8. Динамика изменения скорости передачи потоков RRAP для а = 0,45
Увеличение значения Р приводит к уменьшению длительности колебаний. Это демонстрируют результаты имитационного моделирования RRAP и результаты, полученные другими исследователями для протокола TCP [11]. Следует отметить, что метод Джекобсона-Карела и, соответственно, коэффициенты, аналогичные Р и ю, используются также в наиболее распространенных на сегодняшний день реализациях протокола TCP, таких как Reno и Tahoe. Значения указанных коэффициентов, применяемые в приведенных реализациях TCP, составляют р = 0,5 и ю = 0.875. Соображения, на основании которых выбраны такие значения параметров для TCP, приведены в [10]. Наиболее важным фактором, вынуждающим принять в RRAP аналогичные значения параметров и избегать их варьирования, является необходимость обеспечения совместимости алгоритма с доминирующими в современных сетях механизмами управления скоростью передачи, основанными на TCP [1]. Значения параметров Р и ю, отличные от Р = 0,5 и ю = 0.875, приводят к нарушению справедливости распределения полосы пропускания между потоками RRAP и TCP [4], что противоречит исходным предпосылкам разработки протокола, приведенным в [1,4].
Следовательно, вместо (4) имеем
SRTTj = (0.875 *SRTTJ_1 + 0.125*RTTH)*(1 +a(0.5-у)).
(7)
РИ, 2007, № 1
67
5. Методика исследований
Методика исследований основана на построении модели в семантике ns-2, выборе топологии моделируемой компьютерной сети, выборе установочных параметров моделируемого процесса передачи данных.
На основании сказанного выше можно констатировать, что получил развитие метод исследования, состоящий в следующем:
1) для изучения устойчивости методов адаптивной передачи потоков к эффекту взаимной синхронизации основным характеризующим показателем качества передачи предлагается считать Т*;
2) исследование нужно проводить с использованием ns-2;
3) топология тестовой сети строится с учетом «узкого горла» в соответствии с п.3;
4) анализ проводится на однофакторных зависимостях типа T* = F(<p) с сечениями для значимых переменных;
5) окончательный результат анализируется на основании представления в виде сглаженной поверхности, например, T* = F(a, ф).
Область применения полученныхрезультатов. Предлагаемые результаты могут применяться для выявления областей наиболее эффективного использования протоколов управления скоростью передачи потоков мультимедиа-данных в компьютерных сетях.
6. Выводы
Предложены результаты исследований метода адаптивного управления передачей мультимедиа- данных в компьютерной сети RRAP.
К основным можно отнести результаты исследований метода (п.4) и методику собственно проведения исследований (п.3,5). Все результаты получены впервые.
Основные научные результаты можно представить в вербальном виде:
- впервые получены зависимости показателей качества функционирования метода передачи данных на основе протокола RRAP от настроечных параметров этого метода. Результаты получены на основании имитационных исследований и позволяют выявить область эффективного использования метода RRAP и исключить возможные потери ресурсов в сети;
- получил дальнейшее развитие метод проведения исследований алгоритмов и протоколов передачи данных. Результаты могут быть использованы для построения методик исследования в имитационном моделировании.
Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что полученные зависимости могут быть использованы для выявления областей наиболее эффективного применения протоколов управления скоростью передачи потоков мультимедиа-данных в компьютерных сетях, они позволяют выявить область эффективно-
68
го использования метода RRAP и исключить возможные потери ресурсов в сети. Это в свою очередь способствует снижению затрат на непродуктивные потери и разба-лансированность пропускной способности логических каналов при трансляции видео-потока.
Предложенный метод позволит разработать типовые методики исследований, что может помочь снизить затраты на проведение аналогичных исследовательских работ на основе имитационного моделирования.
Сравнение с лучшими аналогами. Полученные результаты являются продолжением исследований [1]. Эти результаты вскрыли особенности реализации процесса передачи данных при использовании RRAP. Они могут рассматриваться как дальнейшее развитие идей, высказанных в [8], позволяющих повысить эффективность использования методов в скоростных сетях. И могут рассматриваться как дополнение работ [3-5], описывающих метод RAF. В отличие от результатов [3-5], предложено детальное исследование метода и представлена новая методика проведения исследований.
Направление дальнейших исследований. Результаты, полученные в данной работе, касались лишь одного из аспектов улучшения работы протокола упр авления качеством передачи потока данных. В дальнейшем предполагается также исследовать вопросы, связанные с выявлением поведения статистических характеристик работы алгоритма.
Литература: 1. Саєнко В.І., Снурников О.М. Модифікований метод адаптації швидкості передачі потоків даних у комп’ютерних мережах на базі протоколу RAP / // Радіоелектроніка та інформатика. 2006. 2. Jehan-Francois Paris et al. A hybrid broadcasting protocol for video on demand // Multimedia Computing and Networking Conference, San Jose, CA, USA, January 1999. Р. 317-326. 3. H. Shulzrinne, et al. RTP: a transport protocol for real-time applications // RFC 1889, Internet Engineering Task Force, Jan. 1996. 62 p. 4. R. Rejaie et al. RAP: An End-to-end Rate-based Congestion Control Mechanism for Realtime Streams in the Internet // IEEE Infocom’99, New York, March 1999. Vol. 3. Р. 1337-1345. 5. R. Rejaie et al. Quality Adaptation for Congestion Controlled Video Playback over the Internet // Proc. of ACM SIGCOMM ‘99, Cambridge, Sept. 1999. Р. 189-200. 6. Mohit Talwar. A Simulation Based Evaluation of RAP // Technical Report, University of Southern California, Dec. 1998. 12 p. 7. S. Bajaj et al. Improving Simulation for Network Research. // Technical Report 99-702, University of Southern California, March, 1999. 11 p. 8. Z. Wang, F. Paganini. Global Stability with T ime Delay in Network Congestion Control // Proc. IEEE Conference on Decision and control, 2002. Vol. 4. Р. 36323637 9. J. Wang, D. Wei, S. Low. Modelling and Stability of FAST TCP // Proc. IEEE Infocom March 2005. Vol. 2. Р. 938-948. 10. V. Jacobson et al. Congestion Avoidance and Control // Computer Communication Review, Aug. 1988. Vol. 18. № 4. Р. 314-329. 11. Yang Richard Yang, Simon S. Lam, General AIMD Congestion Control // Proc ICNP 2000, Osaka, Japan. Р. 187-198.
Поступила в редколлегию 21.11.2006
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Самойленко Н.И.
Саенко Владимир Иванович, канд. техн. наук, доц., проф. кафедры информационных управляющих систем ХНУ-РЭ. Научные интересы: менеджмент компьютерных сетей. Увлечения и хобби: садоводство. Адрес: Украина, 61166, Харьков, просп. Ленина, 14.
Снурников Олег Михайлович, аспирант кафедры информационных управляющих систем ХНУРЭ. Научные интересы: методы и технологии управления потоками в компьютерных сетях. Увлечения и хобби: домашний ремонт. Адрес: Украина, 61166. Харьков, просп. Ленина, 14.
РИ, 2007, № 1
