CC BY
45
УДК 693.548
Особенности оценки качества сервисных параметров при моделировании ^-сетей с видеотрафиком
А.Ю. Никитин, А.Е. Перегняк
Рассмотрены особенности количественных оценок качества видеоприложений, вызванные потоковыми и составными потерями пакетов.
Features of quantitative estimations of quality of video applications, called by stream and composite losses of packages are considered.
Постановка задачи
Качество видеоприложений в реальном времени ограничивается строгими требованиями на потерю, задержку и джиттер. Потеря пакетов приводит к нежелательным промежуткам и паузе в потоковом видео. Большая задержка пакета эквивалентна потере пакета, потому что в приложениях в реальном времени новые данные записывают поверх старых данных. Увеличение задержки (джиттер) ухудшает производительность буфера воспроизведения видео. Известно много источников потери и задержек пакетов, таких как, задержка распространения и ошибки в канале связи. В дальнейшем будем рассматривать только потери пакетов, вызванные задержкой пакетов, стоящих в очереди переполненного буфера в маршрутизаторе. Потери пакетов и их задержка, вызванные перегрузкой, также отражают взаимодействие между трафиком и сетями. Кроме того, целесообразно рассмотреть и другие сетевые критерии качества работы, такие как вероятность занятости буфера и пропускная способность маршрутизатора.
Помимо составной потери пакета в маршрутизаторе, потеря пакета в потоке также важна, поскольку отражает качество конечного приема видео пользователем. Например, последовательные потери пакетов (или эпизод потери длиной большей или равной 2) ухудшают качество видео больше, чем случайные единичные потери пакетов.
В статье рассматриваются методы количественной оценки потерь видеоприложений, вызванные потоковыми и составными потерями пакетов.
Параметры QoS
Самый простой способ количественной оценки потерь - вычислить полную норму потерь, т.е отношение общей суммы потерянного трафика
(пакетов) В к общей сумме входного трафика за определенный промежуток времени С. Поскольку обычно используется постоянный размер пакета, норма потерь А может быть выражена в виде
A = B.
C
(1)
Другой сетевой параметр, характеризующий ее производительность и связанный с нормой потерь, - загрузка трафика, которая влияет на норму потерь. Загрузка трафика D указывает полную степень перегрузки в специфическом узле сети и определяется как
D=E,
F
(2)
где Е — общее число прибывших пакетов; F — общее число пакетов, которые могут быть переданы.
Хотя норма потерь пакетов является важным параметром, она не является детальной моделью потерь. Потери могут существенно различаться для одной и той же нормы потерь. Чтобы преодолеть этот недостаток, примем другую меру, названную «длительность эпизодов потерь», для фиксации того или иного образца потерь [1, 2].
В случае, когда один или более пакетов теряются последовательно, они составляют эпизод потерь. Если k пакетов потеряны подряд, то соответствующий эпизод потерь имеет длину k. Соответственно, длительность потерь является мерой интервала между двумя последовательно потерянными пакетами. Рис. 1 иллюстрирует эпизоды и длительности потерь.
Будем описывать эпизоды потерь следующими параметрами:
♦ общее число эпизодов потерь
^общ =Е ^ , (3)
ИНФОРМАЦИОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
Эпизод потери длиной 3 пакета
Эпизод потери длиной 2 пакета
77+ 1 77 + 2 77 + 3 77 + 4 77 + 5 77 + 6 77 + 7 77 + 8
Расстояние потери=3
Удачно полученный пакет Потерянный пакет
Рис. 1. Иллюстрация эпизодов потерь и длительности потерь
где оц- число эпизодов потерь длительностью k пакетов;
♦ количество подряд потерянных пакетов длительностью к, принадлежащих данному эпизоду потерь:
£ = ^; (4)
♦ общее число потерянных пакетов
G = 2 £. (5)
Определение эпизода потерь может быть применено к модели потери специфического потока трафика (потеря в потоке), полученного маршрутизатором, или модели составного трафика из нескольких потоков, полученных маршрутизатором (составные потери). Потеря в потоке может быть отделена от составных потерь. На рис. 2 видна разница между этими понятиями.
Используя эпизоды потери, можно проанализировать модель потери, исследуя распределение эпизодов потерь, отражающих выпавшие пакеты в сети. Анализ эпизодов потерь особенно полезен, когда он применяется к специфическому видеоисточнику трафика (потеря в потоке), потому что видеоприложения реального времени более восприимчивы к последовательным потерям пакета, чем случайные единичные потери пакетов.
Рис.2. Иллюстрация составной и потоковой потери пакета: составная потеря: два эпизода потери (длиной 3 пакета и длиной 2 пакета); потоковая потеря: один эпизод потери длиной 2 пакета (поток 1), два эпизода потери, первый — длиной 1 пакет, второй— длиной 2 пакета (поток 2)
Для характеристики модели потерь пакетов будем использовать два отношения: отношение вклада парциальных эпизодов потерь различной
длины к общему числу эпизодов потерь —— и
0общ
отношение вкладов потерянных пакетов от различных эпизодов потерь к общему числу потерянных пакетов g/G.
Проиллюстрируем различие между вкладом эпизодов потерь и вкладом потерянных пакетов. Пусть, например, общее число потерянных пакетов G = 200, а общее число эпизодов потерь
Ообщ=125.
Характеристики эпизодов потерь представлены в табл. 1.
Таблица 1. Характеристики эпизодов потерь
Эпизод потери Число вхождений Число потерянных пакетов
1 70 1x70=70
2 40 2x40=80
3 10 3x10=30
4 5 4x5=20
Вклад эпизодов потери 17, длиной k к общему числу эпизодов потерь Ообщ, будет равен: Д= =70/125 = 0,56; Ъ= 40/125 = 0,32; 1з= 10/125 = 0,08;
I 4= 5/125 = 0,04.
Соответственно вклад К7 потерянных пакетов из эпизода потери, длиной k к общему числу потерянных пакетов G будет равен: К1=70/200= 0,35; К2=80/200=0,40; К3=30/200=0,15; К4=20/200 = 0,10.
На практике интерес представляет не только вклад самого эпизода потерь для каждого индивидуального потока, но также и его среднее значение. Оценка вклада эпизодов потерь различной длины к общему количеству эпизодов потерь, усредненных по всем индивидуальным потокам, может быть проиллюстрирована на следующем примере. Предположим, что есть всего три потока на маршрутизатор.
Пример вычисления вклада потерянного пакета в потоке представлен в табл. 2.
Таблица 2. Расчет вклада потерянного пакета в потоке
Номер потока Число вхождений эпизода потери длиной k
1 пакет 2 пакета
1 10 6
2 8 6
3 9 5
Вклад эпизода потерь длительностью 7 (10+8+9)/ (10+8+9+6+6+5) = 0,6136 (6+6+5)/ (10+8+9+6+6+5) = 0,3863
Пакеты, достигшие маршрутизатора
Эпизод потери длиной 3 пакета
Эпизод потери длиной 2 пакета
77+1 77 + 2 77 + 3 77 + 4 77+5 77 + 6 77 + 7 77+8
Пакеты из потока 1
Пакеты из потока 2
Удачно полученный пакет Потерянный пакет
Особенности оценки качества сервисных параметров при моделировании IP-сетей
Задержка пакета происходит из-за ожидания его в буфере сервиса (задержка в очереди), а также в том случае, когда пакет обработан для передачи в маршрутизаторе (задержка сервиса). Будем использовать термин «задержка в очереди» для характеристики обоих видов задержек. Таким образом, задержка стоящего в очереди пакета эквивалентна интервалу времени между моментом времени входа пакета в буфер маршрутизатора и моментом времени, когда пакет покинет маршрутизатор.
Задержка может быть описана двумя способами - распределением и функцией автокорреляции. Функция автокорреляции задержки (ACF) может использоваться для характеристики корреляции случайных задержек пакетов d и определяется как
n-1
S [(di ~ Md )(di+i ~ Md )]
ACF(d, l) = ^------n-----------------, (6)
S (di ~ Md)2
i=1
где di - случайная задержка i-го пакета; n - общее число измеренных пакетов; /лd - средняя задержка пакета; l - шаг времени задержки.
Джиттер задержки может быть вычислен путем нахождения разности задержек двух последовательных пакетов.
В дополнение к потере и задержке часто для характеристики QoS используется вероятность занятости буфера маршрутизатора, (вызванная малым размером буфера) пропускная способность в потоке, загрузка трафика в потоке, а также нормы потерь в потоке. Все они характеризуют, как именно входящий трафик загружает маршрутизатор и как маршрутизатор реагирует на трафик. Вероятность занятия буфера определяется размером буфера, равным i пакетов, и может быть вычислена путем измерений изменения размера буфера. Для максимального размера буфера длиной в N пакетов число состояний будет N+1, где состояние 0 соответствует пустому буферу, а состояние N соответствует полному буферу. Всякий раз, когда состояние (размер буфера) измененяет-ся, оно регистрируется. Вероятность i-го состояния занятия буфера определяется как
.Л
P(i)=
J+1
(7)
где ], — полное число состояний (обычно буфер содержит 7 пакетов); J — общее число состояний изменений.
Пропускная способность маршрутизатора характеризуется общим числом пакетов, доставленных маршрутизатором. Чтобы сравнить производительность и эффективность различных схем планирования и управления очереди, будем интересоваться пропускной способностью в потоке для каждого источника трафика по формуле
tp = m
' M '
(8)
где т — общее число доставленных пакетов от источника 7; М — общее число доставленных пакетов.
Загрузка трафика в потоке выражается в виде
О, = ^ , (9)
X
где в — общее число пакетов, принятых из источника 7; х — общее число принятых пакетов.
Норма потерь в потоке определяется выражением
(10)
где ф - общее число потерянных пакетов от источника i; п - общее число потерянных пакетов.
Сравнивая TPi, Qi и Si, можно оценить эффективность схемы управления планированием и очередью в маршрутизаторе, а также распределением полосы пропускания.
Таким образом, рассмотрены особенности количественных оценок потерь видео приложений, вызванные потоковыми и составными потерями пакетов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Markovski V. Simulation and Analysis of Loss in IP Networks. - M.A.Sc. Thesis, Engineering Science, Simon Fraser University, 2000.
2. Xue F., Markovski V. and Trajkovic Lj. Packet loss in video transfers over IP networks. - Proc. IEEE Int. Symp. Circuits and Systems, Sydney, Australia, May 2001, vol. II, pp. 345-348.
3. Almes G., Kalidindi S. and Zekauskas M. A oneway delay metric for IPPM. - IETF RFC 2679, Sept. 1999.
Поступила 20.09. 2008 г.
