Современные телекоммуникационные сети обслуживают в основном мультисервисный трафик, представленный в виде IP-пакетов. Он существенно отличается от телефонной нагрузки, а дополнительные изменения порождает реализация концепции, получившей название "Интернет вещей".

УДК 621.391, DOI: 10.22184/2070-8963.2017.67.6.28.31

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по связи
Под редакцией члена-корреспондента РАН В.С. Вербы / В.С. Верба, К.Ю. Гаврилов, А.Р. Ильчук, Б.Г. Татарский, А.А. Филатов
Вишневский В.М., Портной С.Л., Шахнович И.В.
Другие серии книг:
Мир связи
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #6/2017
В.Зайцев, Н.Соколов
Особенности мультисервисного трафика с учетом сообщений, создаваемых устройствами IoT
Просмотры: 3393
Современные телекоммуникационные сети обслуживают в основном мультисервисный трафик, представленный в виде IP-пакетов. Он существенно отличается от телефонной нагрузки, а дополнительные изменения порождает реализация концепции, получившей название "Интернет вещей".

УДК 621.391, DOI: 10.22184/2070-8963.2017.67.6.28.31
Введение
Концепция "Интернет вещей" (Internet of Things, IoT) – одно из самых обсуждаемых направлений развития телекоммуникационных сетей и информационных систем. Она изучается также специалистами, работающими в различных сферах человеческой деятельности – здравоохранения, безопасности, жилищно-коммунального хозяйства и др. [1, 2]. Круг вопросов, которые представляют теоретический и практический интерес, весьма широк.
Телекоммуникационная сеть должна развиваться так, чтобы обеспечивались все необходимые условия для практического применения концепции "Интернета вещей". Одним из таких условий следует считать обслуживание мультисервисного трафика с заданными качественными показателями. Этот трафик можно рассматривать как результат сложения двух компонентов, представляющих потоки IP-пакетов разной природы. Первый компонент иногда называют трафиком людей (пользователем, как правило, становится человек), второй – это трафик вещей, создаваемый при реализации концепции IoT.

Свойства первого компонента активно изучаются специалистами по теории телетрафика на основании теоретических моделей и результатов измерений в эксплуатируемых мультисервисных сетях. Исследование второго компонента усложняется тем, что пока сложно прогнозировать характер роста трафика IoT с необходимой достоверностью [3]. Правда, зависимость от недостаточности объема статистической информации можно снизить, используя сценарный подход [4]. Подобное решение не накладывает ограничений на изучение особенностей мультисервисного трафика, в состав которого входят сообщения, создаваемые оконечными устройствами IoT.
Процесс исследования
мультисервисного трафика
На характеристики мультисервисного трафика влияет множество факторов, но при проведении исследований учитывается только часть из них. Такой подход – общепринятая практика, объясняемая в том числе рядом объективных и субъективных причин. В результате неизбежны ошибки, источники которых можно проследить на примере, приведенном в [5], для решения задачи при помощи модели (рис.1). Изучаемый процесс в данной статье – обслуживание мультисервисного трафика.
Предположим, что характеристики трафика (атрибуты изучаемого процесса) можно адекватно представить функцией F1(x1, x2, ..., xk). Совокупность переменных xi, i = Подпись: _l, k образует набор параметров, адекватно характеризующих предмет исследований. При переходе к блоку "Содержательная модель" ряд переменных, как правило, исключается из дальнейшего исследования по причинам объективного и субъективного характера. Это означает, что l > k. Меняется, естественно, и вид исходной функции, что отображает запись F2(x1, x2, ..., xl).
При переходе к блоку "Математическая модель" также меняется совокупность анализируемых переменных. Возможны варианты и l ≤ m, и l ≥ m. В результате исследования функция F3(x1, x2, ..., xm) приводится к виду, который обозначен как F4(x1, x2, ..., xm). Различие этих функций определяет ошибку, возникающую при исследовании математической модели.
В процессе истолкования результатов исследования модели формируются две функции – F5(x1, x2, ..., xl) и F6(x1, x2, ..., xk). Различия функций F2(x1, x2, ..., xl) и F5(x1, x2, ..., xl), а также F1(x1, x2, ..., xk) и F6(x1, x2, ..., xk) служат мерами ошибок, возникающих в блоках "Содержательная модель" и "Изучаемый процесс" соответственно.
Каждый IP-пакет, с точки зрения теории телетрафика, следует рассматривать как заявку, которая должна быть обслужена: передана, принята или обработана. Исчерпывающей характеристикой потока IP-пакетов служит функция распределения длительности интервалов между моментами поступления заявок [6]. Для иллюстрации, приведенной на рис.1, это распределение представляет собой функцию F1(x1, x2, ..., xk).
Допустим, что при переходе к содержательной модели исключаются из дальнейшего анализа отсутствие стационарности и свойство ординарности входящего потока заявок [6]. Эти допущения позволяют упростить получение функции F2(x1, x2, ..., xl). Если она оценивается при помощи измерений через интервал τ, то результат представим ступенчатой функцией с приращениями Pi в точках iτ. Величина i принимает целочисленные значения в диапазоне от 0 до N. Точность оценки функции F2(x1, x2, ..., xl), вследствие конечного значения интервала τ, снижается.
В теории телетрафика полученную ступенчатую функцию обычно аппроксимируют непрерывной кривой, используя, например, метод наименьших квадратов. Эта кривая и служит функцией F3(x1, x2, ..., xm). Для телефонного трафика часто использовалась гипотеза о пуассоновском потоке заявок [6]. Это упрощает исследуемую функцию, так как она зависит только от интенсивности потока заявок λ и времени t:
F3(x1, x2, ..., xm) = 1 – e–λt. (1)
Понятно, что возникающая ошибка будет обусловлена рядом факторов, среди которых уместно выделить обстоятельство следующего рода: измеряемая функция определена на отрезке [0, Nτ], а аппроксимирующая кривая – в диапазоне [0, ∞).
Оценка характеристик потока IP-пакетов
На рис.2 показана модель формирования потока IP-пакетов на входе узла коммутации. Операция сложения IP-пакетов, поступающих из разных источников, осуществляется в рассматриваемой модели в гипотетическом блоке, который обозначен символом "Σ". Этот блок можно рассматривать как буферную память на входе узла коммутации.
Предполагается, что для обоих классов трафика (людей и вещей) известны функции распределения длительности интервалов между моментами поступления заявок – φi(t), i = Подпись: _l, h, и ϕj(t), j =Подпись: _ l, g соответственно. На выходе суммирующего устройства формируется поток заявок, которые должны быть обработаны узлом коммутации. Для этого потока необходимо определить вид функции распределения A(t) и ее параметры. Данная задача легко решается для распределений φi(t) и ϕj(t) вида (1), но это решение не представляет практического интереса для исследования моделей мультисервисного трафика.
Для произвольных законов распределения φi(t) и ϕj(t) несложно оценить интенсивность входящего потока заявок Λ. Если для обоих классов трафика величины интенсивности входящих потоков λiφ и λjϕ известны, то справедливо следующее неравенство:
. (2)
Знак неравенства подчеркивает тот факт, что часть
заявок может быть потеряна вследствие ограниченного объема буферной памяти. Современные требования к величине вероятности потери таковы, что в соотношении (2) можно поставить знак равенства. Такой подход представляется разумным и по той причине, что использование в дальнейших расчетах величины Λ, как суммы всех значения λiφ и λjϕ, позволит получить верхнюю границу необходимой производительности узлов коммутации в составе телекоммуникационной сети.
Часто входящие потоки заданы моментами поступления заявок, которые удобно выразить целыми числами, равными отношению текущего времени t к некому малому периоду x. Это позволяет найти диаметрально противоположные законы поступления заявок для суммарного потока. Их можно назвать "лучшим" и "худшим".
Данное утверждение можно проиллюстрировать при помощи модели, для которой определены законы поступления заявок для двух потоков – n1(t) и n1(t). В верхней части рис.3 показаны соответствующие гистограммы. Потоки предполагаются ординарными [6]. В нижней части рисунка проиллюстрированы два закона поступления заявок для суммарного потока. Они соответствуют диаметрально противоположным случаям.
Для "лучшего" случая сохраняется ординарность, а смежные заявки находятся на расстоянии друг от друга, равном не менее 0,5. Для "худшего" случая ординарность нарушается – в моменты времени 0, 3 и 4 приходят сразу две заявки. Это происходит при непреднамеренной "синхронизации" двух входящих потоков. Определения "лучший" и "худший" использованы для того, чтобы акцентировать внимание на следующем факте: характеристики качества обслуживания трафика при заданной величине пропускной способности узла коммутации для рассматриваемых случаев могут сравниваться при помощи этих прилагательных. К сожалению, не всегда удается установить зависимость между законом поступления заявок и соответствующим распределением A(t).
Исследуемые распределения A(t)
В технической литературе, посвященной трафику мультисервисных сетей, чаще других исследуются распределения A(t) с так называемыми тяжелыми хвостами [6]. Эти функции определены на оси [x0, ∞). В статье [7] рассматривается также пример распределения, заданного на ограниченном интервале. Подобные распределения обозначаются в [7] как Al(t). Нижний индекс "l" – первая буква в слове limited, что означает "ограниченный". Тогда распределения, для которых область определения справа не ограничена, логично записать как Au(t). Нижний индекс "u" – первая буква в слове unlimited, которое переводится как "неограниченный". Эти же индексы уместно использовать для средних значений Al(1) и Au(1), а также дисперсий σl2 и σu2 соответственно.
Интерес к распределениям класса Al(t) обусловлен тремя основными факторами. Во-первых, измерения входящего потока IP-пакетов показывают, что часто наблюдаются длительные периоды, в течение которых "тяжелые хвосты" отсутствуют. Во-вторых, как отмечено в [7], при соблюдении равенств Al(1) = Au(1) и σl2 = σu2 распределения Al(t) позволяют получить верхние границы для длительности задержки заявок. В-третьих, часть IP-пакетов, порожденных Интернетом вещей, будет передаваться по расписанию, что не соответствует моделям трафика с распределениями класса Au(t).
На рис.4 показаны графики для двух распределений из классов Au(t) и Al(t). В качестве примеров использованы распределение Парето [8] и ступенчатая функция произвольного вида соответственно. Параметры распределений Au(t) и Al(t) выбраны таким образом, чтобы соблюдались условия: Al(1) = Au(1) и σl2 = σu2. Распределение Al(t) имеет только три приращения – в точках τ, 2τ и 10τ с величинами P1 = 0,6, P2 = 0,3 и P10 = 0,1. Тогда для распределения Парето несложно вычислить параметры положения и формы [8]: x0 ≈ 1,244 и α ≈ 2,302. Для распределения Al(t) значение τ принято равным единице.
Рассмотрим однолинейную систему телетрафика с постоянным временем обслуживания заявок. Для загрузки системы, равной 0,9, путем имитационного моделирования были получены следующие результаты:
• среднее значение времени задержки заявок составляет 5,8 и 14,9 для распределений Au(t) и Al(t);
• коэффициент вариации времени задержки заявок составляет примерно 0,7 и 0,9 для распределений Au(t) и Al(t).
Результаты моделирования, проведенные для моделей, отличающихся от выбранных в [7], подтверждают вывод о том, что применение распределений вида Al(t) позволяет получить верхние границы для параметров времени задержки заявок. В качестве такой функции можно использовать, например, бета-распределение [8]. Оно, в частности, было выбрано в [7] для исследования входящего трафика в узлах коммутации пакетных сетей.
Заключение
При исследовании мультисервисного трафика следует учитывать возможное изменение его характера по мере увеличения количества оконечных устройств, посредством которых реализуется концепция "Интернет вещей". В течение ближайших лет объем дополнительных IP-пакетов, относящихся к трафику Интернета вещей, будет не столь существенным. С другой стороны, необходимо рассматривать также и сценарии развития Интернета вещей, подразумевающие значительный рост соответствующего трафика в обозримой перспективе [3].
Особый интерес при исследовании мультисервисного трафика представляют собой те распределения длительности интервалов между моментами поступления IP-пакетов, которые определены на конечном интервале времени. Изучение подобных распределений порождает новый класс задач в теории телетрафика, имеющих практическое значение.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hersent O., Boswarthick D., Elloumi O. The Internet of Things: Key Applications and Protocols, 2nd Edition. – Wiley, 2012. 370 p.
2. Росляков А.В., Ваняшин С.В., Гребешков А.Ю., Самсонов М.Ю. Интернет вещей. – Самара: ПГУТИ, ООО "Издательство Ас Гард", 2014. 340 с.
3. Соколов Н.А. Сценарии реализации концепции "Интернет вещей" // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2016. № 4. С. 50–54.
4. Линдгрен М., Бандхольд Х. Сценарное планирование. Связь между будущим и стратегией. – М.: Олимп-Бизнес, 2009. 256 с.
5. Мышкис А.Д. Элементы теории математических моделей. – М.: Книжный дом "Либриком", 2011. 192 с.
6. Степанов С.Н. Теория телетрафика: концепции, модели, приложения. – М.: Горячая линия – Телеком, 2015. 867 с.
7. Levakov A.K., Sokolov A.N., Sokolov N.A. Models of incoming traffic in packet networks // T-Comm. 2015. Vol. 9. № 5. PP. 91–94.
8. Вадзинский Р.Н. Справочник по вероятностным распределениям. – СПб: Наука, 2001. 296 с.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art