CC BY
62
МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЯ КАЧЕСТВА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА В ИНФОКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Легков К.Е., к.т.н., Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, mail:[email protected]
Ключевые слова:
трафик, информационный обмен, беспроводный сегмент, инфокоммуникационная система, методика.
АННОТАЦИЯ
В настоящее время все большее распространение получают инфокоммуникационные технологии, данные о степени самоподобия трафика в которых пока в полном объеме отсутствуют. В статье описывается оригинальный эксперимент по снятию реализаций трафика в беспроводном сегменте инфокоммуникационной системы специального назначения, абонентами которой являются должностные лица сил специального назначения, а также приводятся результаты анализа структурных особенностей данного трафика. Уже известно, что самоподобной структурой обладает телетрафик практически во всех проводных сетях, также обнаружены аналогичные эффекты в сотовых телефонных сетях с коммутацией пакетов. Проведенные исследования подтверждают наличие самоподобных свойств в беспроводном сегменте инфокоммуникационной системы военного назначения. Самоподобные свойства проявляют себя в трафике как на канальном (Fast Ethernet), так и на транспортном (TCP) уровнях. Сравнив полученные в настоящем исследовании результаты с аналогичными результатами для трафика проводных сетей можно сделать выводы о том, что, несмотря на различные принципы функционирования канального и физического уровней, с точки зрения самоподобной структуры принципиальных отличий между данными видами трафика не обнаружено. Это позволяет сделать вывод о возможности прогнозирования самоподобного сетевого трафика в сложных инфокоммуникационных системах военного назначения.
После реализации метода оценки качества информационного обмена, подробно описанного в предыдущих статьях автора, и получения значений показателей качества с применением разработанной программы, при несоответствии значения требуемому, необходимо решать частную задачу, которая решена с использованием метода повышения качества информационного обмена. Проведенные расчеты качества информационного обмена согласно разработанного ранее метода оценки с помощью программы подтверждают вывод о повышении общей эффективности системы. Полученные результаты подтверждают, что качество информационного обмена в сложной инфокоммуникационной системе специального назначения при применении метода повышения качества информационного обмена с прогнозированием заметно выше (10-15 %) при том же самом объеме информации, полученном и переданном абонентами системы. В соответствие с этим в статье представлены материалы, позволяющие в определенной мере восполнить пробел в освещении проблем и основных способов их разрешения в области организации управления современными инфо-коммуникационными системами, создаваемыми из различных систем и сетей связи.
US
RESEARCH
Для проверки полученных ранее методов и методик [1] с помощью имитационного моделирования на ПЭВМ и с учетом результатов проведенного эксперимента был поставлен вычислительный эксперимент по анализу их эффективности в ИКС СН.
После реализации метода оценки качества информационного обмена, подробно описанной в [2], и получения значений показателей качества с применением разработанной программы, при несоответствии значения требуемому, необходимо решать частную задачу по повышению качества информационного обмена. Данную задачу будем решать с применением метода повышения качества информационного обмена, подробно описанного в [3].
Оценку работы метода оценки проведем с помощью имитационного моделирования на ПЭВМ. Моделирование производилось в среде сетевого эмулятора ш-2 с учетом прохождения информации от типового модуля к центру распределения услуг связи (ЦРУС) на пункте управления модульного типа. Схема эксперимента по моделированию метода представлена на рис. 1.
Источником самоподобного трафика в данном эксперименте является одна из реализаций реального сетевого трафика, полученная в ранее и подаваемая на автономную станцию - 5 (АС-5). Посредством АС-5 полученный таким образом самоподобный поток упаковывается в иБР-пакеты и передается вместе с трафиком в сторону получателя АС-4. Кроме того, на схеме также имеется еще один (вспомогательный) источник трафика с АС-1, генерирующий и транслирующий поток 1ГОР-пакетов в направлении получателя АС-4.
В целях данного эксперимента для оценки потенциальных возможностей метода выберем источник с постоянной интенсивностью (5 бит/с) генерирования пакетов (так называемый, СВЯ-источник).
Трафики обоих источников (самоподобного и СВЯ) имеют в составе своего пути к АС-4 один общий участок, одновременно являющийся «узким» местом системы -канал от АС-3 до АС-4 с пропускной способностью 5 бит/с.
В данном случае возникает задача эффективного разделения ресурсов канала от АС-3 до АС-4 (его пропускной способности) между трафиками обоих источников АС-5 и АС-1.
В процессе проведения эксперимента система (рис. 1) изучается в двух режимах:
в режиме статического разделения пропускной способности канала от АС-3 до АС-4 между самоподобным и СВЯ трафиками. При этом некоторый ресурс этой пропускной способности С < (бит/с) закрепляется постоянно за самопо-
добным трафиком, а оставшаяся пропускная способность ^ - С (бит/с) выделяется под трафик СВЯ. Однако, как уже отмечалось выше, такой способ малоэффективен вследствие высокой пачечности трафика источника АС-5;
в режиме динамического перераспределения пропускной способности канала от АС -3 до АС-4 между самоподобным и СВЯ трафиками при помощи прогнозирования. В этом случае на основе информации, полученной в процессе мониторинга интенсивности самоподобного трафика в канале от АС-5 до АС-2 в момент времени £, делается прогноз потребностей потока источника АС-5 в пропускной способности С (бит/с) на участке от АС-3 до АС-4 в последующий интервал времени / + А. На основании такой прогностической оценки самоподобному трафику в канале от АС-3 до АС-4 выделяется требуемый ресурс С (бит/с), а СВЯ-трафику, соответственно, оставшийся ресурс 5 - С (бит/с) пропускной способности на время Д.
В обоих исследуемых режимах оценивались статистики 0+, I) , ЯN11', а также общее количество информации, переданное источником от АС-1 и достигшее получателя АС-4. Для прогнозирования использовался алгоритм с простым предсказателем, который согласно проведенного ранее анализа наименее ресурсоемкий и наиболее эффективный [4].
Программное обеспечение ш-2 имеет открытый исходный код и распространяется бесплатно, без каких-либо ограничений на право использования, модификации и распространения. N5-2 является объектно-ориентированным ПО, ядро которого реализовано на языке С++, а язык сценариев (скриптов) Ок1 используется в качестве интерпретатора.
Рис. 1. Схема эксперимента по моделированию метода оценки изменения качества информационного обмена
Рис. 2. Временной ряд ВС-10 и его исследуемый фрагмент F
В целях настоящей работы все необходимые программные модули реализованы на языке Otcl и использованием стандартных библиотек С++ для ns-2. Пакет программ ns-allinone-2.27 устанавливался на ПО Cygwin-2.427 для операционной системы Windows 7. Всего использовалось три программных модуля.
В результате работы программ мы получаем те же самые (или более полные) статистики, которые исследовали ранее [4], и теперь можем их сравнить: была использована реализация самоподобного трафика с сайта «Internet traffic archive», приведенная к эквидистантному виду с помощью процедуры агрегирования по уровню
При этом для изучения (прогнозирования) был выбран ее фрагмент F, заключенный между отсчетами 3000 (3000*Д/3600 = 8.3 часа) и 6000 (6000*Д/3600=16.6 часа), который характеризуется общей длительностью —8.3 часа и, фактически, представляет собой реализацию трафика, в течение стандартного рабочего дня. Для настоящего эксперимента по моделированию (в целях экономии времени) возьмем более короткий участок между отсчетами 3000 и 5000, имеющий длительность 2000 отсчетов = 20000 сек (см.
Табл. 1. Значения параметров в программе dinrps.tcl
Название параметра
max band2 3
max bandO 3
$ns simplex-link $n0 $n3
$ns simplex-link $nl $n2
$ns simplex-link $n2 $n3
$ns simplex-link $n3 $n4
$ns simplex-link $n5 $nl
$cbr0 set rate_
band3 4
bandO 3
Значение параметра
200000.0
200000.0
200000.0 1ms DropTail
200000.0 1ms DropTail
0.0 1ms DropTail
200000.0 1ms DropTail
200000.0 1ms DropTail
200000.0
200000.0
200000.0
Изменения, которые необходимо внести в программу dinrps.tcl для проведения данного эксперимента и получения приведенных ниже результатов, отражены в табл. 1.
Для начала сравним статистики Dplus и Dplus_drops, отражающие коэффициент D+, но измеренные разными способами (Dplus_drops - с помощью специального счетчика отброшенных пакетов, встроенного в ns-2). Поскольку нас больше интересует выигрыш от применения метода разделения времени передачи пакетов с прогнозированием, то сравним выигрыши для статистик Dplus и Dplus_drops, определяемых как разность: AdvDplusnaive (bs _ norm) =
Dplusst (bs _ norm) - Dplusnaive (bs _ norm
для статистики Dplus, и как разность: AdvDplus _ drops naive(bs _ norm ) =
= Dplus _ dropsst (bs _ norm) - Dplus _drops naive(bs _ norm ) для статистики Dplus_drops соответствующие графики приведены на рис. 8.
Заметим, что выигрыш в статистике Dplus равен выигрышу в статистике Dminus. Как можно видеть из рис. 3, выигрыши в статистиках Dplus и Dplus_drops отличаются незначительно, особенно в рабочем диапазоне (при bs_norm > 2), характеризующимся приемлемым уровнем потерь, поэтому для дальнейшего анализа выберем одну из этих статистик, например Dplus. Полученные в результате моделирования на ns-2 основные статистики для статического и динамического принципов распределения пропускной способности приведены на рис. 4, 5, 6 соответственно.
Сравнивая полученные зависимости с аналогичными, представленными ранее, можно отметить, что результаты моделирования хорошо согласуются с теоретическими расчетами.
Выигрыш в статистике SNR'1 определяется аналогичным образом:
MvSNR^ (bs _ norm) =
SNRst (bs _ norm) — SNRnaive (bs _ norm)
Заметим, что приведенные выше характеристики имеет смысл рассматривать, если для каждого значения bs_norm средняя пропускная способность канала от АС-2 до АС-3 не зависит от механизма распределения пропускной способности (статического или динамического с прогнозированием).
Проконтролируем неизменность среднего значения пропускной способности канала от АС-2 до АС-3 для рас-
us
RESEARCH
сматриваемых механизмов. Соответствующие графики приведены на рис. 7.
Как можно видеть, средняя пропускная способность этого канала не зависит от метода ее распределения и растет линейно с увеличением Ъ&_погт. Последнее объясняется линейным ростом статической компоненты Ьз в процессе проведения эксперимента.
Проанализируем еще одну статистическую характеристику - количество информации, принятое АС-4 от источника СВИ-трафика за время эксперимента при различных методах распределения пропускной способности. Как замечалось ранее, при заданном значении Ъз_погт среднее значение пропускной способности канала от АС-2 до АС-3 для обоих принципов управления остается постоянным. Следовательно, постоянным остается и связанная с ней величина - средняя пропускная способность канала от АС-1 до АС-3 (см рис. 7). Тогда, располагая графиком на рис.7, можно оценить количество информации, принятое от АС-1 АС-4. Например, для параметра Ъ&_погт = 1.5 средняя пропускная способность канала от АС-2 до АС-3 равна примерно 30 ООО
"о и 1 13 > и з
Рис. 3. Выигрыши в статистиках Ор1ш и Вр1ш_с1гор8 от применения метода с простым предсказателем для ряда ВС-10
1м_1ЮТ»
Рис. 4. Основные статистики, полученные в результате
моделирования на ш-2 механизма статического распределения пропускной способности для ряда ВС-10
Значит, средняя пропускная способность канала от АС-1 до АС-3 равна 200 ООО - 30 000 = 170 000 бит/с, где 200 000 бит/с - пропускная способность канала от АС-3 до АС-4, задаваемая параметром Ьапс13_4 в табл. 1. В этом случае количество информации, принятое АС-4 от источника СВЯ трафика за все время эксперимента (20 000 сек) составляет порядка 170 000*20 000/8=4.25*10® байт. Проверим этот результат с помощью зависимостей, представленных на графике (рис. 8) и полученных с помощью встроенных в ш-2 счетчиков принятых пакетов (агента ЬоззМопког). При том же самом объеме информации, принятой АС-4 от источника АС-1, потери при передаче самоподобного трафика от источника АС-5 заметно (—10 %) ниже при использовании метода повышения качества информационного обмена с прогнозированием.
При этом показатель БЖ'1, характеризующий джиттер, улучшатся на 59 %.
Кроме того, заметим, что данный метод с помощью простого предсказания практически не требует вычислительной мощности процессора (по сравнению с МММА-предсказателем, например) и достаточно легко реализуем.
Теперь приведем результаты моделирования с использованием в качестве источника самоподобного трафика реализацию Weth04.dat, зафиксированную в ИКС ВН. Свойства и характеристики данной реализации также исследовалась нами ранее в этом разделе.
Выберем в качестве исследуемого участка, например, интервал между началом реализации и временной меткой 10000 секунд, продолжительностью —2.778 часа
Табл. 2. Значения параметров в программе сНпгрБ^с!
Название параметра Значение параметра
max_band2_3 10000000.0
max_bandO_3 10000000.0
$ns simplex-link $n0 $пЗ 10000000.01ms DropTail
$ns simplex-link $nl $n2 10000000.01ms DropTail
$ns simplex-link $n2 $n3 0.0 1ms DropTail
$ns simplex-link $n3 $n4 10000000.01ms DropTail
$ns simplex-link $n5 $nl 10000000.01ms DropTail
$cbr0 set rate_ 10000000.0
band3_4 10000000.0
bandO_3 10000000.0
Параметры программы dinrps.tcl для проведения данного эксперимента и получения приведенных ниже результатов представлены в табл. 2. При этом представим результаты моделирования уровня агрегирования 0.05 сек.На рис. 10 изображены зависимости выигрышей в коэффициенте недооценки (коэффициенте потерь) при использовании метода повышения качества информационного обмена с простым предсказателем для ряда Weth04.
Как можно видеть, выигрыш (в статистике Dplus) при среднем значении пропускной способности канала от АС-2 до АС-3, равной трем средним значениям интенсивности трафика на изучаемом участке (т.е. в точке bs_norm=2) составляет —8%. Это значение хорошо согласуется с результатами, рассмотренными ранее для ряда ВС-10 (—10 %). На рис. 11 и 12 приведены основные изучаемые статистики для случаев статического и динамического распределения пропускной способности соответственно. Далее, на рис. 13 представлена зависимость выигрыша в коэффициенте SNR 1. Величина выигрыша не зависит от значения bs_norm и составляет
Анализируя графики, представленные на рис. 14, можно убедиться, что в ходе эксперимента среднее значение пропускной способности канала от АС-2 до АС-3 для за-данного значения Ь5_погт сохраняется неизменным при переходе от статического принципа к динамическому. Таким образом, показатели эффективности (8ЫЯ-1, и В-) для этих принципов можно сравнивать между собой для любого фиксированного значения
Ь5_ПОГШ.
Более того, судя по графику, представленному на рис. 15, в случае применения метода повышения качества информационного обмена с прогнозированием не только удается достичь уменьшения потерь информации в канале от АС-2 до АС-3 на 8%, но и сохранить (и даже несколько увеличить) количество информации, переданное в канале от АС-1 до АС-4. Параметр 8ЫЯ-1 при этом улучшается на 58%.
Полученные результаты подтверждают выводы, сделанные ранее о безусловном повышении эффективности системы вследствие применения метода повышения качества информационного обмена с прогнозированием: при том же самом объеме информации, полу-
Рис. 5. Основные статистики, полученные в результате моделирования на ш-2 механизма динамического распределения пропускной способности с простым прогнозированием для ряда ВС-10
Рис. 7. Средняя пропускная способность (бит/с) канала от АС-2 до АС-3 для статического (МеапС_50 и динамического (МеапС_пагуе) принципов распределения пропускной способности с простым прогнозированием для ряда ВС-10
Рис. 6. Оценка изменения статистики БЖ-! от применения метода с простым прогнозированием для ряда ВС-10
us
RESEARCH
ченной АС-4 от источника АС-1, потерь в самоподобном трафике заметно меньше (8-10%) при использовании принципа динамического распределения пропускной способности с прогнозированием. При этом параметр характеризующий джиттер, улучшается на 58%. Повышение общей эффективности системы обусловлено более эффективным распределением ее ресурсов.Проведенные расчеты качества информационного обмена согласно разработанного ранее метода оценки [2,5] подтверждают вывод о повышении общей эффективности системы.
Оценка качества и оценка изменения качества информационного обмена при использовании методов стати-ческого задания пропускной способности и повышен качества информационного обмена с прогнозированием в сложной инфокоммуникационной системе представле-ны на рис. 16 и 17.
Полученные результаты подтверждают, что качество информационного обмена в сложной инфокоммуникационной системе при применении метода повышения качества информационного обмена с прогнозирова-
Рис. 9. Временной ряд Weth04_0.05.dat и исследуемый участок F
Рис. 12. Основные статистики, полученные в результате моделирования на ш-2 механизма динамического распределения пропускной способности с простым прогнозированием для ряда А/\ГеЛ04
Рис. 10. Выигрыши в статистиках БрЫв и Ор1и5_йгорз от применения метода повышения качества информационного обмена с простым предсказателем для ряда ШеШ04
Рис. 13. Оценка изменения статистики БЫК от применения метода с простым прогнозированием для ряда А/\ГеЛ04
Рис. 15. Количество информации (байт), принятое на АС-4 от источника АС-1 для статического (CBR_st) и динамического (CBR._na.ive) принципов распределения пропускной способности с простым прогнозированием для ряда ШеШ04
Q ио
-Q рвпп -Q st
1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
„ - "
*
Л
/
//
0,5
1,5 bs norm
2,5
Рис. 16. Оценка качества информационного обмена при использовании методов статического задания пропускной способности и повышения качества информационного обмена с прогнозированием
Рис. 17. Оценка изменения качества информационного обмена при использовании методов статического задания пропускной способности и повышения качества информационного обмена с прогнозированием
нием заметно выше (10-15 %) при том же самом объеме информации, полученной АС-4 от источника АС-1.
Применение метода повышения качества информационного обмена ограничивается случаями, когда возможно разделить трафик на две категории: приоритетный и неприоритетный, а также когда используется техника виртуальных каналов (в отличие от статистического мультиплексирования потоков). При этом если приоритетный трафик оказывается самоподобным и обладает высоким коэффициентом пачечности, то разработанный метод также будет эффективен. В противном случае его эффективность окажется не хуже эффективности метода статического распределения пропускной способности.
0
2
3
US
RESEARCH
8. Легков, К.Е. Эффективные методы управления потоками в защищенных инфокоммуникационных сетях / А.Н. Буренин, К.Е. Легков // И&ББ: Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. - 2010. -№ 2. - С. 29-34.
9. Легков, К.Е. Модели процессов мониторинга при обеспечении оперативного контроля эксплуатации инфокоммуникационных сетей специального назначения / А.Н. Буренин, К.Е. Легков // И&ББ: Наукоемкие технологии
в космических исследованиях Земли. - 2011. -№ 2. - С. 1923.
10. Легков, К.Е. К вопросу моделирования организации информационной управляющей сети для системы управления современными инфокоммуникационными сетями / А.Н. Буренин, К.Е. Легков // И&ББ: Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. - 2011. -№ 1. - С. 22-25.
MODELING OF A TECHNIQUE OF AN ASSESSMENT OF CHANGE OF QUALITY OF INFORMATION EXCHANGE IN INFOCOMMUNICATION SYSTEM OF A SPECIAL PURPOSE
Legkov K., Ph.D, Military Space Academy, e-mail:[email protected]
Abstract
Now the infocommunication technologies given about degree of self-similarity of a traffic in which while in full gain ground are absent. In article original experiment on removal of realization of a traffic in a wireless segment of infocommunication system of the special purpose which subscribers are officials of forces of a special purpose is described, and also results of the analysis of structural features of this traffic are given. It is already known that self-similar structure the teletraffic practically in all wire networks possesses, similar effects in cellular telephone networks with switching of packages are also found. The conducted researches confirm existence of self-similar properties in a wireless segment of military infocommunication system. Self-similar properties prove in a traffic both on channel (Fast Ethernet), and on transport (TCP) levels. Having compared the results received in the real research to similar results for a traffic of wire networks it is possible to draw conclusions that, despite various principles of functioning of channel and physical levels, from the point of view of self-similar structure of fundamental differences between these types of a traffic isn't revealed. It allows to draw a conclusion on possibility of forecasting of a self-similar network traffic in military difficult infocommunication systems.
After realization of a method of an assessment of quality of the information exchange which has been in detail described in the previous articles of the author, and obtaining values of indicators of quality with application of the developed program, at discrepancy of value demanded, it is necessary to solve a private problem which is solved with use of a method of improvement of quality of information exchange. The carried-out calculations of quality of information exchange it agrees developed before an assessment method by means of the program confirm a conclusion about increase of overall effectiveness of system. The received results confirm that quality of information exchange in difficult infocommunication system of a special purpose at application of a method of improvement of quality of information exchange with forecasting is much higher (10-15%) at the same volume of information received and given subscribers of system. The materials allowing in a certain measure to meet a lack according to problems and the main ways of their permission in the field of
the organization of management of modern infocommunication systems are presented to compliance with it in article, created of various systems and communication networks. Keywords: traffic, information exchange, wireless segment, infocommunication system, technique.
References
1. Legkov, K 2013, 'About some approaches to increase of system effectiveness of control within change of approach to automation and information', Mobile telecommunications (Mobile Communications), no. 7, p. 48.
2. Legkov, K 2013, 'Main theoretical and application-oriented problems of a technical basis of management system of a special purpose and main directions of creation of infocommunication system of special assignment', T-Comm: Telecommunications and transport, vol. 7, no. 6, pp. 42-46.
3. Legkov, K 2012, 'Procedures and time response characteristics of operational management of traffic on the transport network of a special purpose of package switching', T-Comm: Telecommunications and transport, vol. 6, no. 6, pp. 22-26.
4. Legkov, K & Donchenko, A 2011, 'Veroyatnost of loss of a packet on the wireless networks with accidental multiple access to the environment transmission', T-Comm: Telecommunications and transport, vol. 5, no. 5, pp. 32-33.
5. Legkov, K & Donchenko, A & Sadovov, V 2010, 'The modern technologies of broadband wireless access 802.16E and LTE: implementation perspectives on transport', T-Comm: Telecommunications and transport, vol. 4, no. 2, pp. 30-32.
6. Legkov, K & Donchenko, A 2009, 'Wireless MESH networks of a special purpose', T-Comm: Telecommunications and transport, vol. 3, no. 3, pp. 36-37.
7. Legkov, K & Donchenko, A 2009, 'The analysis of transmission systems on networks of wireless access',T-Comm: Telecommunications and transport, vol. 3, no. 2, pp. 40-41.
8. Burenin, A & Legkov, K 2010, 'Effective methods of control over streams in protected infokommunikatsionny networks', H&ES: High technologies in space researches of Earth, vol.2, no.2, pp. 29-34.
9. Burenin, A & Legkov, K 2011, 'Model of monitoring processes when ensuring operative control of operation of infokommunikatsionny networks of special purpose', H&ES: High technologies in space researches of Earth, vol. 3, no. 2, pp. 19-23.
10. Burenin, A & Legkov, K 2011,' To a question of modeling of the organization of the information managing director of a network for a control system of modern infokommunikatsionny networks', H&ES: High technologies in space researches of Earth, vol. 3, no. 1, pp. 22-25.
