CC BY
21
-►
Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
УДК 621.391;621.394/396;654.1
В.Ю. Садовников Санкт-Петербург, Россия
сравнение алгоритмов распределения ресурсов
сетей доступа
V.Yu. Sadovnikov St.-Petersburg, Russia
comparison of algorithms for the resource distribution
between access networks
Продолжение статьи «Математическая модель доступа к FMC-услугам с учетом равномерной балансировки нагрузки между сетями доступа при миграции абонента». Представлено сравнение результатов работы алгоритмов распределения и балансировки нагрузки с алгоритмами, базирующимися на алгоритме FFD (First-Fit Decreasing).
СЕТЕВОЙ РЕСУРС. НАГРУЗКА. ТРАФИК. ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ. АЛГОРИТМЫ. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ.
The article is continuation of article «Mathematical model of access to FMC services considering to uniform distribution of traffic load between access networks and subscriber migration» and presents comparison of results of algorithms that perform traffic load distribution and balancing, and algorithms based on FFD (First-Fit Decreasing) method.
NETWORK RESOURCE. LOAD. TRAFFIC. TRAFFIC CAPACITY. ALGORIGTHMS. INCREASE OF EFFICIENCY.
В статье [1] представлены алгоритмы, позволяющие распределять и перераспределять услуги между сетями доступа.
В настоящей статье проводится сравнение результата работы данных алгоритмов с алгоритмами распределения запрашиваемого ресурса между сетями доступа, предложенными в [2], которые базируются на алгоритме FFD (First-Fit Decreasing).
Алгоритм FFD [3] решает задачу упаковки в контейнеры, где объекты предопределенной формы упаковываются в конечное число контейнеров предопределенной величины таким способом, чтобы число использованных контейнеров было наименьшим или количество, или объем упаковываемых объектов были наибольшими. FFD всегда помещает самый большой элемент в списке в контейнер с наименьшим номером,
имеющий достаточное место для этого элемента. В решении задачи распределения ресурсов сетей доступа контейнеры - это пропускные полосы сетей доступа, а объекты - это величины ширины полосы пропускания запрашиваемой услуги. FFD направляет заявку, требующую наибольшую полосу пропускания, в сеть с наименьшим номером, в которой имеется достаточный ресурс.
Авторы [2] изменяют порядок обработки заявок в очереди и алгоритм по принятию решения о выборе сети доступа (FFD), учитывая дополнительные критерии:
предпочтительность выбора определенной сети доступа (строгое предпочтение, приоритет отдельной сети по сравнению с остальными, отсутствие приоритета);
возможность дробления запрашиваемой полосы пропускания на части;
Научно-технические ведомости СПбГПУ 1' 2013 Информатика. Телекоммуникации. Управление
минимизацию энергозатрат мобильными устройствами;
возможность перераспределения потоков данных между сетями доступа.
Предложены четыре варианта алгоритма, каждый из которых дополняет предыдущий, учитывая один новый из ранее перечисленных критериев. Эти алгоритмы выдают наиболее близкие к оптимальным результаты по энергопотреблению и пользовательским предпочтениям. Поскольку результаты симуляции работы каждого алгоритма несущественно отличаются друг от друга, рассмотрим один из них - First Fit Decreasing with Substitution (FFDwS) - выбор первой подходящей сети с подменой.
FFDwS, в отличие от FFD, обрабатывает заявки в очереди в другом порядке. Приоретизация представляет собой сортировку заявок по двум параметрам в порядке их убывания: сначала учитывается предпочтительность выбора определенной сети доступа, после чего - требуемая заявкой пропускная ширина полосы. Под подменой по-
Таблица 1
Характеристики пуассоновских процессов
Процесс 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1/Х, c 20 16 12 8 4 4 4 4 4
1/д, c 4 4 4 4 4 8 12 16 20
нимается перемещение ресурса, выделенного для ранее обработанной заявки, в другую сеть (если это возможно) с целью высвобождения полосы пропускания под ресурс, необходимый для удовлетворения поступившей на обработку заявки, предпочитающей эту сеть.
Однако не всегда запрошенная полоса пропускания может быть использована полностью, что означает неэффективность применения алгоритмов, базирующихся на FFD. В качестве примера можно привести ситуацию, когда сеть выделила пользователям большой объем ресурсов, но при этом само использование этих ресурсов имеет малую интенсивность, т. е. свободного ресурса не остается, а сеть простаивает в бездействии.
Таблица 2
Характеристики классов услуг по типам трафика
Класс услуги Тип трафика Характеристики запрашиваемой полосы пропускания, кбит/с Нормальная нагрузка на сеть
min max Шаг Bluetooth 802.11b 802.11a UMTS GPRS
Речь G.711 64 128 64 0,5 0,4 0,4 0,5 0,9
G.729 8 16 8 0,5 0,4 0,4 0,5 0,9
Аудио AAC 128 176 8 0,75 0,6 0,6 0,8 0,9
MP3-CBR 64 320 16 0,8 0,65 0,65 0,9 0,95
MP3-VBR 224 288 16 0,75 0,6 0,6 0,8 0,8
HD-видео H.264 176x144 150 200 25 0,8 0,8 0,8 0,9 1,0
320x240 300 500 50 0,8 0,8 0,8 0,9 1,0
640x480 1000 2000 50 0,8 0,8 0,8 0,9 1,0
1280x720 5000 6000 250 0,8 0,8 0,8 0,95 1,0
1920x1080 7000 9000 250 0,8 0,8 0,8 0,95 1,0
P2P Torrent 64 10000 1 1,0 1,0 1,0 1,0 0,6
WEB HTTP HTTPS 64 256 4 0,25 0,2 0,3 0,4 0,2
IM IM 8 64 1 0,05 0,02 0,05 0,1 0,4
Почта SMTP POP3 64 512 8 0,1 0,1 0,3 0,3 1,0
Трафик Высокая нагрузка 64 10000 1 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
Средняя нагрузка 64 10000 1 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75
Слабая нагрузка 64 10000 1 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Очень слабая нагрузка 64 10000 1 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25
4
Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
Как следствие, для разработанных алгоритмов, представленных в [1], были взяты условия проведения эксперимента из [2]. Симуляция предполагает наличие пяти сетей доступа (Bluetooth, IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, UMTS и GPRS), каждая из которых характеризуется пропускной способностью, задержками и параметрами энергосбережения. При этом выделение ресурса сетей моделируется девятью пуас-соновскими процессами со своими значениями интенсивностей поступления X и обслуживания ц заявок (см. табл. 1).
Учитывается, что каждая заявка может включать в себя запрос от одного до трех классов потоков данных со случайной шириной полосы доступа, с различными предпочтениями и приоритетами сетей доступа. В эксперименте, описанном в [2], классификации услуг нет, т. е. выделяемая полоса доступа загружена полностью, что не всегда верно. Разработанные алгоритмы распределения и балансировки нагрузки [1] учитывают в своих исходных данных классы услуг и нагрузку на сеть, создаваемую каждым классом, что позволяет избежать лишнего простаивания ресурса сети.
В табл. 2 сведены характеристики запрашиваемых полос пропускания и нормальных нагрузок на сеть в соответствии с классами услуг и типами трафика, используемые исследуемыми алгоритмами распределения и балансировки нагрузки. Под нормальной нагрузкой понимается нагрузка, создаваемая трафиком услуги на сеть при условии полного занятия услугой всей полосы пропускания сети.
На интервале симуляции, равном одному часу, измерялись (как по отдельному пуассоновскому процессу, так и в целом) следующие показатели: количество обслуженных заявок; количество необслуженных заявок;
суммарный объем выделенной полосы доступа для обслуженных заявок;
суммарный объем отказанной полосы доступа для необслуженных заявок;
суммарное время использования ресурсов сети; суммарный объем трафика (сумма произведений из ширины полосы пропускания на время ее занятия);
среднее время использования услуги; средний объем трафика услуги. Результат представлен на диаграммах (см. рисунок), позволяющих сравнить работу алгоритмов распределения и балансировки нагрузки, базирующихся на методе максимального элемента (ММЭ) с Random-алгоритмом (выбор случайной подходящей сети), FFD-алгоритмом и FFDwS-алгоритмом, изложенным в [2].
Из диаграмм видно, что исследуемые алгоритмы распределения (ММЭ) и балансировки нагрузки (ММЭ-reloc) между сетями доступа работают эффективнее алгоритмов, базирующихся на FFD.
В табл. 3 сведены величины относительного прироста названных выше показателей. По ним можно сделать вывод, что с помощью разработанных алгоритмов распределения и балансировки нагрузки повышение эффективности доступа к услугам на основе сетей Always Best Connected (ABC) составляет свыше 45 % в среднем по разным показателям. Отсюда следует что, базируясь на классе трафика, с помощью этих алгоритмов можно эффективнее распределять ресурсы сетей доступа между клиентами. Из табл. 3 также видно, насколько улучшаются показатели при работе алгоритма балансировки нагрузки в сочетании с алгоритмом распределения нагрузки (последний столбец): когда алгоритм распределения нагрузки не может выделить ресурс, алгоритм балансиров-
Таблица 3
Относительный прирост показателей, %
Показатели ММЭ/ Random ММЭ-reloc/ Random FFDwS/ FFD ММЭ/ FFD ММЭ-reloc/ FFD ММЭ/ FFDwS ММЭ-reloc/ FFDwS ММЭ-reloc/ММЭ
Обслуженные заявки 38,1 47,6 1,9 40,0 49,7 37,4 46,9 6,9
Необслуженные заявки -24,2 -30,3 -1,2 -24,9 -30,9 -24,0 -30,1 -8,0
Суммарный объем выделенной полосы доступа 59,9 64,6 1,1 61,3 65,9 59,5 64,1 2,9
Суммарный объем отказанной полосы доступа -3,3 -3,6 -0,1 -3,4 -3,6 -3,3 -3,6 -0,3
Суммарное время использования ресурсов сети 31,0 39,3 2,6 32,1 40,4 28,8 36,8 6,3
Суммарный объем трафика 83,4 94,7 -3,1 77,0 87,8 82,7 93,9 6,1
Среднее время использования услуги 6,4 8,4 0,8 5,7 7,7 4,8 6,8 1,9
Средний объем трафика услуги 48,9 51,5 -4,8 41,6 44,1 48,7 51,4 1,8
Научно-технические ведомости СПбГПУ 1' 2013 ^ Информатика. Телекоммуникации. Управление
Обслуженные заявюч, ад-
Необслуженные заявки, ед-
i Ren dom IFFD FFDwS
I ммэ I ммз-mlüc
.....II
1 2 Э
5 6 7 8 9
Суммарный объем выделенной полосы доступа, кбит/с
400000
Суммарное время использования ресурсов сети, с
1ММЭ ■ ММЭ-reloc
.lililí
Суммарный объем отказанной полосы доступа, кбит/с
1500000 1000000 500000
■■■■(л
Суммарный объем трафика, Мбит
Среднее время использования услуги, с
Средний объем трафика услуги, Мбит
FFD FFDwS ■ ММЭ i ММЭ-гекю
■■■■■■nil
5
Диаграммы с результатами симуляции
4 5 6 7 8 8
4 5 6 7
ки нагрузки перераспределяет ресурс и пытается его повторно выделить.
Таким образом, впервые продемонстрирован эффективный доступ к инфокоммуникационным услугам, базирующийся на алгоритмах, которые распределяют и балансируют ресурсы разнородных сетей доступа, в совокупности образующих сеть Always Best Connected (ABC), основываясь на нагрузке, создаваемой запрашиваемыми услугами на эти сети доступа:
разработанный алгоритм эффективного распределения общего ресурса сетей доступа с перекрывающимися зонами покрытия отличается тем, что при распределении сетевого ресурса учитывается нагрузка, создаваемая на сети доступа, а не запрашиваемая услугой ширина полосы пропускания;
разработанный алгоритм балансировки используемых ресурсов сетей доступа с перекрывающимися зонами покрытия обеспечивает равномерную загрузку сетей доступа услугами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Садовников, В.Ю. Математическая модель доступа к FMC-услугам с учетом равномерной балансировки нагрузки между сетями доступа при миграции абонента [Текст]/ В.Ю. Садовников.
2. Bo, Xing. Multi-constraint dynamic access selection in Always Best Connected networks [Text] / Xing Bo, Nalini
Venkatausbramanian. -Donald Bren School of Information and Computer Sciencies, Univercity of California.
3. Guochuan, Z. The FFD Algorithm for the Bin Packing Problem with Kernel Items [Text] / Z. Guochuan, Y. Enyu. -Department of Applied Mathematics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, 1998.
