CC BY
27
н \ на •••
АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА
на
н
МУЛЬТИСЕРВИСНЫЕ СЕТИ СВЯЗИ
Оптимизация мобильного трафика в сетях 3G и LTE
Александр
ФЕЛИЖАНКО,
инженер-консультант Cisco
ри всей своей распространенности и широте использования приложениями, работающими на мобильных абонентских устройствах, протокол управления передачей (Transmission Control Protocol - TCP) был и остается оптимизированным только для работы в проводных сетях. Полагаясь на надежность нижележащих уровней, присущую проводным сетям, TCP предполагает, что любая потеря пакетов данных вызвана сетевыми перегрузками, и начинает предпринимать меры по их предотвращению.
Описываемые в статье методы оптимизации мобильного трафика позволяют повысить качество услуг, предоставляемых в беспроводных сетях.
Управление перегрузками
Базовый механизм борьбы с перегрузками в ТСР основан на управлении размером так называемого окна перегрузки, то есть тем количеством данных, которое отправитель передает в сеть за один раз. На начальной фазе ТСР «прощупывает» полосу пропускания, доступную для соединения. На этой фазе работает алгоритм медленного старта, при котором размер окна перегрузки от начального значения, равного размеру одного максимального сегмента, до установленного порогового значения растет экспоненциально, а затем, на фазе предотвращения перегрузок, линейно. При наступлении таймаута, когда подтверждение приема пакета данных получателем не приходит в отведенный срок, новое пороговое значение устанавливается на половину текущего окна перегрузки, само окно перегрузки сжимается до начального значения, и работа алгоритма начинается сначала. Если таймауты больше не наблюдаются, размер окна перегрузки вырастает до размера окна, объявленного получателем, и отправитель начинает передавать в сеть количество данных, соответствующее размеру окна получателя. И так до очередного таймаута. Очевидно, что чем чаще срабаты-вет базовый механизм, тем больше провалов в скорости передачи и тем меньше эффективность использования доступной для соединения полосы пропускания.
В беспроводных каналах связи кратковременные периоды потерь пакетов или резкого роста задержки их доставки, при-
водящие к наступлению таймаутов TCP, могут быть вызваны причинами, не связанными с реальными перегрузками. Среди этих причин:
^ затухание радиоканала, помехи и другие преходящие условия, характерные для беспроводной среды;
^ мобильность абонентов и связанные с ней временные потери радиоканала, например, при проезде через туннель или пользовании лифтом;
^ перемещение абонентов между соседними базовыми станциями;
^ повторные передачи пакетов протоколами канального уровня;
^ настройки промежуточных узлов (например, eNodeB) на приоритетное обслуживание определенных услуг и предоставление им лучшего качества обслуживания, в результате чего остальные услуги могут испытывать вариацию задержки.
Эти спорадические события вызывают включение достаточно консервативного базового механизма управления перегрузками TCP, что приводит к заметному снижению эффективности его работы и негативно сказывается на фактической пропускной способности: растет время открытия веб-страниц, скачивания файлов и т.д., а полоса пропускания радиосети используется неполностью.
Одним из выходов из этой ситуации может быть установка некого посредника, или прокси, который разбивает соединение TCP между клиентом на абонентском устройстве и сервером TCP в Интернете на две независимые части (условно «беспроводную» и «проводную») и более интеллектуально управляет перегрузками на беспроводной части соединения. Поскольку основной объем трафика в Интернете передается в направлении от сервера к клиенту, на беспроводной части соединения в сторону абонента отправитель TCP такого посредника волен применять любые алгоритмы управления размером своего окна перегрузки. Получателю TCP на абонентском устройстве до этого нет никакого дела, он ведет себя обычным образом без каких-либо модификаций стандартного стека TCP.
Именно на этих принципах основана реализация функциональности Traffic Performance Optimization (TPO) на многофункциональной платформе Cisco ASR 5GGG, когда она выступает в качестве шлюзового узла GGSN сети 3G или в качестве шлюза PDN Gateway (PGW) пакетного ядра сети LTE. На проводной части соединения между TCP-прокси на GGSN/PGW и сервером TCP в Интернете работает обычный протокол TCP без каких-либо изменений,
а на беспроводной части между TCP-прокси и клиентом TCP на абонентском устройстве - оптимизированный TCP.
Оптимизация TCP затрагивает различные аспекты протокола, начиная от процедур установления соединения и медленного старта до управления перегрузками в различных ситуациях. Так, для управления размером окна перегрузки и выбора порогового значения для медленного старта после наступления таймаута используются методы TCP Reno, TCP Vegas или TCP Westwood+. Эти методы принимают в расчет динамику изменения времени прохождения пакетов в прямом и обратном направлениях (RTT), а также оценку доступной для соединения полосы пропускания (как результат мониторинга интенсивности получения подтверждений на отправку данных), по различным признакам пытаются предугадать момент наступления перегрузки, чтобы предпринять превентивные меры, а также понять причину потери пакета (действительно ли это результат перегрузки или следствие аномалий в беспроводном канале).
В дополнение для более тонкого управления перегрузками используются эвристические алгоритмы, учитывающие параметры качества обслуживания абонента, в частности, величину гарантированного битрейта (GBR) на соединении. Кроме того, работа алгоритмов корректируется при получении шлюзом PGW извещений о хэн-довере абонента между базовыми станциями с одной и той же технологией (например, из LTE в LTE) и с различными технологиями (например, из LTE в 3G). Лабораторные исследования показывают, что на беспроводном соединении с задержкой 100 мс и полосой пропускания 1 Мбит/с при доле потерь пакетов 0,5% фактическая пропускная способность канала при работе TPO по сравнению с базовой увеличивается более чем на 30% и приближается к теоретической. При доле потери пакетов 1% она увеличивается почти на 60%.
Оптимизация трафика HTTP
Другой аспект работы TPO на Cisco ASR 5000 связан с оптимизацией трафика HTTP. Веб-страницы зачастую не адаптированы к условиям беспроводных сетей, приложения на абонентских устройствах делают множество служебных запросов к серверам DNS в Интернете для разрешения доменных имен в адреса IP, серверы контента не всегда понимают, что запросы идут от мобильных устройств, и не подстраивают контент соответствующим образом. Логичным было бы оптимизировать трафик
56
ВЄКІ КАЧЕСТВА № б • 2011
HTTP на GGSN или на PGW. Именно это и реализовано на Cisco ASR 5GGG.
Если контент на веб-сервере текстовый, а браузер на абонентском устройстве способен принимать компрессированные данные, то TPO будет сжимать содержимое страниц HTML и передавать их в сторону абонента в формате gzip. Как показывает практика, экономия полосы пропускания в радиоканале от такой компрессии составляет в среднем 3G-4G%. Это с учетом того, что формат jpeg уже сжат: текстовые страницы без jpeg сжимаются до 7G%. Когда страница HTML в ответе веб-сервера содержит ссылки на вспомогательные ресурсы (например, на jpeg-изображения), TPO будет самостоятельно разрешать доменные имена в ссылках URL и переписывать их на адреса IP с тем, чтобы минимизировать количество обращений браузера на абонентском устройстве к серверу DNS. Если же в страницу встроена реклама в виде изображения или Flash-объекта, то TPO будет ее блокировать с возможностью последующей загрузки по запросу (on-click). Эффективность таких методов во многом зависит от сайта, к которому обращается абонент. При включенной оптимизации HTTP время открытия страниц (например, CNN.com) сокращается почти в полтора раза, количество запросов DNS со стороны абонента - на треть, а эффект от компрессии страниц достигает 35%.
Мобильное видео
Еще один аспект оптимизации использования радиоресурсов связан с мобильным видео, доля которого в общем объеме мобильного трафика, по данным исследования компании Cisco «Прогноз развития мирового мобильного трафика на 2G1G-2G15 годы», к 2G15 г. будет составлять две трети. Для распознавания видеозапросов со стороны абонентов шлюз мобильного видео на Cisco ASR 5GGG использует глубокую инспекцию пакетов. Эти запросы могут быть переадресованы на вспомогательный сервер адаптации видеоконтента, причем шлюз может выполнять балансировку видеозапросов HTTP между серверами адаптации, входящими в кластер. Сервер адаптации контента передает в сторону абонента уже оптимизированное, например, транскодированное, видео. На шлюзе также отрабатываются правила обработки видеотрафика, в которых может быть указано, какой трафик (и для каких абонентов) подлежит оптимизации средствами самого шлюза, в частности, динамическому трансрейтингу и пэйсингу, а какие видеоклипы следует пропускать в исходном виде. Логично, что функциональность шлюза мобильного видео в сети
..." QG
МУЛЬТИСЕРВИСНЫЕ СЕТИ СВЯЗИ АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА
Ч НЕ Ч G
3G включается на GGSN, а в сети LTE - на PGW. Она дополняет TPO и автоматически активирует функцию проксирования и оптимизации TCP, в том числе для оценки доступной полосы пропускания на беспроводной части соединения.
Трансрейтинг в масштабе реального времени дает возможность снижать видео-битрейт прогрессивной загрузки видео до величины, поддерживаемой конкретной беспроводной сетью. Например, с 25 и 30 фреймов в секунду (соответственно, для PAL и NTSC) до 8, 12 или 15 фреймов в секунду, достаточных для воспроизведения видео на мобильном устройстве с относительно небольшим экраном без сколько-нибудь заметного ухудшения качества, но со значительной экономией полосы пропускания в радиосети. С другой стороны, видеопэйсинг позволяет привести скорость воспроизведения видео на мобильном устройстве в соответствие со скоростью его загрузки. Речь идет о видеоклипах, прогрессивно загружаемых и просматриваемых через http (например, с YouTube).
Как правило, видео сначала загружается в буфер устройства, а затем при достаточном его заполнении начинает проигрываться. Когда скорость загрузки превышает скорость воспроизведения, буфер в процессе просмотра заполняет-
ся полностью. Однако по статистике просмотров короткого (порядка 4 минут) видео, характерного для YouTube, 2G% зрителей прекращает просмотр видеоклипов через 1G или менее секунд, треть - через 3G секунд, 44% - через 1 минуту, а уже 6G% - всего через 2 минуты просмотра. Как следствие, полоса пропускания в радиосети расходуется впустую. Виде-опэйсинг же позволяет значительно сократить объем видеотрафика. Опытная эксплуатация шлюза мобильного видео на Cisco ASR 5GGG в сети одного из ведущих операторов мобильной связи США подтвердила, что только за счет видео-пэйсинга объем видеотрафика в радиосети сократился на 26%, а общий объем мобильного трафика, в состав которого входил и видеотрафик, - на 6%. И все это без каких-либо нареканий на качество видео со стороны абонентов.
В заключение хотелось бы отметить, что в результате использования описанных методов оптимизации мобильного трафика улучшается впечатление абонентов о качестве предоставляемых услуг. А у операторов отодвигаются сроки (или вообще отпадает необходимость) дополнительных инвестиций в немедленное увеличение мощности радиосети, что, как правило, является первой реакцией оператора на появление перегрузок и жалоб со стороны абонентов. ■
GI
НІЦ
ОАО «НТЦ ВСП «СУПЕРТЕЛ ДАЛС»
ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
197101, Санкт-Петербург, Петроградская наб.,38А
Тел.: (812) 232-7321, 230-2216. Факс: (812) 497-3682, 230-2216
E-mail: vat@ supertel.spb.su, www.supertel-dals.ru
Системный интегратор и одно из ведущих отечественных предприятий по разработке и внедрению комлексов телекоммуникационного оборудования для транспортных сетей и сетей доступа с единой сетевой системой управления собственной разработки, обеспечивающей
информационную безопасность.
СИНХРОННЫЙ МУЛЬТИПЛЕКСОР С АБОНЕНТСКИМ ДОСТУПОМ - СМД
Сертификат соответствия ОС-2-СП-0917 Патент № 107604
СМД - Предназначен для эксплуатации на сети связи в качестве аппаратуры цифровой системы передачи синхронной цифровой иерархии, обеспечивающей передачу сигналов Е1, Е3, ЕШегпе! и сигналов абонентского доступа в структуре синхронных транспортных модулей уровней БТМ-1 и БТМ-4 по одномодовому волоконно-оптическому кабелю.
Контроль и управление сетями связи и оборудованием осуществляется сетевой системой управления «Супертел - NMS» -по протоколу SNMP.
tHI-M-M-t-tit-t-H : і
і ІІІІ.МІ
• ї
r-t-r • f-j*
і!!
Транспортный уровень:
> Оптические интерфейсы до: 8STM-1, 4STM-4 и STM-1/4 c CWDM
> Интерфейсы до: 84Е1, 12Е3, 16 Ethernet 10/100 Base-T;
> Коммутационная матрица: 1638x1638VC-12.
> Уровень коммутации: VC-12/VC-3/VC-4;
> Резервирование: линии и полезной нагрузки - MSP, SNCP; блоков, синхронизации, матрицы коммутации - 1+1.
Уровень абонентского доступа:
> Интерфейсы Е1 до 64.
> Линейные блоки: ЛТО-2, SDSL 1, SDSL 2, LAN.
> Коммутационная матрица: 9480x9480 КИ;
> Абонентские интерфейсы аналогичны интерфейсам первичных мультиплексоров МП.
> Служебная связь.
> Внешние датчики до 4 шт.
№ б • 2011 ВЄКІ КАЧЕСТВА
