Современные информационные технологии/1. Компьютерная инженерия

Ст. гр. ТКС-01н, Сабина Р.А.
Донецкий Национальный Технический Университет

Построение модели UDP-потока

Новые мультимедийные услуги реального времени появились на рынке коммерческих услуг сети Интернет сравнительно недавно и нельзя сказать, что эти услуги были в достаточной мере поддержаны в сети адекватными средствами, например, такими как новые протоколы, ориентированные на эти услуги и алгоритмы управления мультимедийным трафиком. Именно поэтому качество, с которым предоставляются мультимедийные услуги, в основном напрямую зависит от количества свободных ресурсов на сети.

Очевидно, что обеспечение качества обслуживания требует внедрения новых механизмов и протоколов как на сети, так и в оборудовании пользователя. Транзитные узлы (маршрутизаторы) являются собственностью провайдеров и являются достаточно инертными с точки зрения внедрения новых механизмов и протоколов. Именно поэтому проще и дешевле моделирование процессов передачи такого трафика при проектировании новой сети или внесении кардинальных изменений в уже существующую.

Протоколы транспортного уровня UDP и TCP позволяют разработчику приложений свободу выбора транспортной услуги с точки зрения доставки информации: UDP является простым протоколом и не предоставляет никаких гарантий по качеству обслуживания, а протокол TCP, в свою очередь, обеспечивает гарантированную доставку данных, но зачастую с высокой задержкой.

Для большинства мультимедийных услуг, реализованных «из-конца-в конец» на прикладном уровне и, как правило, использующих на транспортном уровне протокол UDP, достаточно важными параметрами являются задержка пакета «из-конца-в-конец» и дисперсия этой задержки (джиттер), и то время как случайная потеря пакета, зачастую, не является помехой. И первую очередь, это объясняется тем, что услуги «потокового» (streaming) типа ориентированы на пере дачу незамедлительно аудио и/или видеовоспроизведения переданной информации, в результате чего оконечный пользователь и является той системой, которая оценивает качество предоставляемой услуги.

Протокол передачи данных UDP (User Datagram Protocol) был определен IETF в 1980 году в документе [RFC768], он обладает рядом достоинств, делающих его очень привлекательным, в первую очередь для приложений, не имеющих жестких требований по таким параметрам качества обслуживания, как вероятность потери пакета задержка и джиттер задержки. Среди очевидных достоинств UDP необходимо выделить следующие: отсутствие фазы установления соединения, отсутствие состояния соединения, малые накладные расходы.

В табл. 1 представлены различные приложения и протоколы прикладного уровня использующие обычно протокол UDP. Как видно, протокол UDP используется в основном служебными протоколами прикладного уровня (SNMP, RIP, DNS и пр.) и мультимедийными услугами (Интернет-телефон, видео/телеконференция и пр.). Применение UDP для потокового мультимедийного трафика предпочтительнее, чем TCP, в первую очередь, в связи с тем, что реакция этих приложений на работу функции «управления перегрузками» может быть неадекватна и грозит существенным ухудшением качества предоставления услуги.

Таблица 1. Приложения и протоколы использующие UDP

Приложение	Протокол прикладного уровня	Протокол транспортного уровня
Удаленный файловый сервер	NSF	Обычно UDP
Потоковые мультим. услуги	Корпоративный	Обычно UDP
Интернет-телефония	Корпоративный	Обычно UDP
Управление сетью	SNMP	Обычно UDP
Протокол маршрутизации	RIP	Обычно UDP
Служба трансляции имен	DNS	Обычно UDP

На основании вышеизложенного было принято решение о создании адекватной модели UDP-потока, позволяющей выполнять задачи возникающие у проектировщика сетей (администратора, разработчика сетей и протоколов).

Первым этапом моделирования является построение концептуальной модели, и первая задача в нем – классификация системы по типу поведения. Система является динамической с непрерывным множеством состояний, так как основные показатели (заполнение очередей) зависят от времени и являются непрерывными функциями времени. С точки зрения течения времени объект можно считать системой с непрерывным временем, так как для обмена между маршрутизаторами используются асинхронные протоколы, и квант времени (время передачи одного бита) пренебрежимо мал по сравнению с длительностью основных процессов (время передачи информационного кадра). По условиям перехода из одного состояния в другое сеть сама по себе является детерминированной, но, поскольку информационные потоки в сети случайны, то и вся система также является стохастической. На рисунке 1 представлена схема проектируемой модели.

Рис. 1. Схема проектируемой модели UDP-потока.

Рабочей нагрузкой системы является информационный поток, который она должна передавать от отправителя к получателю с заданными показателями качества. Поскольку информационные запросы в системе возникают случайным образом, то для описания их будет использоваться метод генерации случайных величин – такие потоки будут с требуемой точностью моделировать реальный обмен, характеристики которого были получены с помощью средств анализа сетей.

Проектируемая модель должна отвечать требованиям реального объекта. Модель должна иметь возможность терять пакеты (например по time-out) и задерживать их на неодинаковое время. Это достигается манипуляциями над очередями в коммутационных устройствах (маршрутизаторах). Буфер маршрутизаторов может быть разным, а маршруты следования информационных потоков случайными.

При построении модели за основу берется представление о сети, как совокупности каналов с известной пропускной способностью, которые соединяют между собой единицы коммуникационного оборудования (маршрутизаторы). Каждый маршрутизатор рассматривается, как очередь на передачу. Кроме того, сеть представляемая количеством N маршрутизаторов должна позволять добавление N+1, N+2,… маршрутизаторов и иметь случайные элементы расположения этих маршрутизаторов.

Реализация модели может быть осуществлена в программной среде MatLab.

Литература

1. Н. А. Олифер, В. Г. Олифер – Средства анализа и оптимизации локальных сетей. Центр Информационных Технологий, 1998

2. Е. А. Кучерявый – Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет. Наука и Техника, 2004

3. Э. Таненбаум – Компьютерные сети. Питер, 2006