Оценка взаимного влияния самоподобных internetи видеотрафика при передаче по гибридным сетям спутниковой связи

УДК 621.396

Оценка взаимного влияния самоподобных Internet- и видеотрафика при передаче по гибридным сетям спутниковой связи

A.C. Пастухов, А.Е. Перегняк, С.А. Лукьянцев, А.Г. Симонян

Приведены результаты исследования взаимного влияния самоподобных Internet- и видеотрафиков; рассмотрено влияние самоподобия на показатели качества гибридной сети спутниковой связи.

Investigation results of inter-influence of self-similar Internet and video traffics are shown; shown, how self-similarity influenced on the characteristics of hybrid satellite link.

Постановка задачи

Стремительные темпы роста Internet привели к активному использованию гибридных сетей спутниковой связи (ГССС). Данные сети объединяют широкополосный вещательный спутниковый канал и низкоскоростные земные каналы в единую сеть передачи данных.

В настоящее время наиболее популярной является технология гибридного спутникового доступа в Internet с возможностью интеграции видео-и Internet- данных в одном канале спутникового транспондера на основе стандарта DVB (от англ. Digital Video Broadcast). Стандарт DVB объединяет Internet- и видеотрафик в общий цифровой поток [9]. В последнее время наблюдается стремительное развитие телекоммуникационных систем с пакетной коммутацией, а также интеграция мультимедийных сервисов в IP-сети. Появляется все больше экспериментальных исследований, которые доказывают самоподобие трафика реальных сетей связи [4, 14]. Поэтому развитие методов оценки самоподобных свойств, а также их моделирование представляется перспективным и актуальным направлением современной теории телетрафика.

Цель работы. Оптимальное распределение ресурсов играет важную роль в получении желаемого качества обслуживания QoS (от англ. Quality of Service) и достижении экономического эффекта при проектировании сетей. В связи с этим особый интерес представляет изучение взаимодействия двух видов самоподобного трафВгагатье оценивается, как влияют друг на друга самоподобные Internet- и видеотрафик при совместной передаче через спутниковый канал в стандарте DVB-S2. Исследования проводились

путем имитационного моделирования в пакете ns-2 [4]. Структура и имитационная модель исследуемой ГССС представлены и подробно описаны в [10, 11].

Характеристика трафика

Для имитации узлов Internet-серверов использовались источники с распределением Парето. Параметр MSS (от англ. Maximum Segment Size) - максимальный размер сегмента (200 байт во всех имитациях). Интервалы времени передачи и ожидания составляют: топ=200 мс и т0а=1 мс соответственно. Коэффициент формы фиксирован и равен 1,9. Скорость передачи пакетов каждым источником Парето составляет 57,5 кбит/с (#=0,685), 75 кбит/с (/7=0,761), 125 кбит/с (/7=0,8) и отличаются показателем Херста, при этом скорость передачи (СП) объединенного трафика на входе шлюза для каждого случая равна 761,32; 738,78 и 723,29 кбит/с соответственно.

С целью генерации видеотрафика, обладающего свойствами самоподобия, использовались реальные трассы в стандарте MPEG-4. В настоящее время широко известны два основных источника трасс MPEG, доступных для пользователей Internet. При имитационном моделировании были использованы три различные трассы MPEG-4 [3, 7]. Основные параметры этих видеотрасс представлены ниже в таблице. В каждой из трасс MPEG-4 содержатся кадры MPEG-4 всех размеров, представляющие собой видеоданные на прикладном уровне. Все три трассы имеют следующие характеристики: GoP-структура - IPBBPBBPBBIBBP

(14 кадров); 25кадр/с; вход кодера - 176x144 пиксел с 8-битным цветовым разрешением; число кадров в каждой трассе - 89 998 (один час видео).

Таблица. Характеристики трасс MPEG-4

Трасса Средний размер кадра (байт) Средняя битовая скорость (бит/сек) Максимальная битовая скорость (бит/сек) Показатель. Херста

Silence of Lambs 2 876,35 575 275 4 447 800 0,911

Star Wars 4 1 376,41 275 285 1 874 000 0,782

Park Platz 3 935,97 787 203 2 770 200 0,652

Отношение максимальной битовой скорости к средней битовой скорости передачи характеризует импульсивность этих трасс.

Для передачи видеотрафика по 1Р-сетям видеоинформация должна быть пакетирована. Для этого был предложен известный метод упаковки в пакеты ЯТР (рис. 1) и реализовано программное обеспечение. Этот метод упаковки впервые был предложен в И. Подобные методы упаковки использовались в [4, 6].

Рис. 1. Пакетирование MPEG трасс

Согласно RTP/UDP/IP-рекомендациям пакетирования каждый кадр видео MPEG можно передать в одном или более пакетах RTP и целое множество этих кадров может переноситься в одном пакете RTP. Например, большой кадр разделен на несколько пакетов RTP и несколько маленьких кадров объединены в одном пакете RTP. Поскольку в анализируемых трассах MPEG размер каждого кадра обычно больше, чем MTU (от англ. Maximum Transmission Unit) для типичных сетей (где MTU - максимальный размер пакета),

специфическая сеть не может принять его. не применяя разделение. Таким образом, большие кадры разделяются, чтобы соответствовать требованию MTU, когда они получены маршрутизатором. При моделировании использовалось значение MTU, равное 552 байтам, что является средним MTU в реальных сетях [2, 8].

Когда очень большой кадр отправляется в сеть, сеть разделяет его на множество пакетов из-за MTU ограничения. Поскольку кадр очень большой, он сразу займет много места в буфере маршрутизатора, сильно загружая его. Это приведет к значительному снижению эксплуатационных показателей сети при моделировании. Кроме того, ns-2 использует буферы пакетов, работающие по нескольким алгоритмам, в которых размеры буфера измеряются в пакетах. Это ограничение создает проблему равнодоступности размера буфера. Например, очень большой пакет может занять одно место в буфере, тогда как много очень маленьких пакетов займут много места в буфере. В результате большие кадры MPEG при моделировании должны быть предварительно упакованы перед передачей по сети. Каждый кадр в трассе MPEG упаковывается в целое число пакетов. Размер каждого пакета составляет 552 байта (размер MTU). Например, если кадр равен 1 800 байтам

(1 800 = 552 ж 326), создаются 3 пакета. Если кадр равен 2 100 байтам (2 100 = 552 * 380), создаются 4 пакета. Хотя такое округление в большую сторону и усечение вызывают ненужное дополнение и удаление байтов, они не влияют отрицательно на результат моделирования, как будет показано далее. Если в моделировании используются пакеты различных размеров, то в полном буфере может содержаться различное число байт (даже притом, что число пакетов - то же самое), что влияет на содержание и повторяемость результатов моделирования. Использование пакетов постоянного размера не только компенсирует ограничение буфера в ns-2, но также упрощает анализ и сравнение результатов моделирования.

После того как каждый кадр упакован, передача пакетов, принадлежащих одному кадру, ста-

Размер

кадра

Трасса MPEG до пакетирования~|

кадр 1 = 1800 байт = 3.26 пакетов = 3 I шкета

кадр 2 = 2100 байт = 3,80 пакетов = 4 пакета

40 мс

Время

Размер

пакета

Трасса MPEG после пакетирования все пакеты по 552 байта

пакеты из кадра I пакеты из кадра 2

20 мс 20 мс 20 мс

Время

новится равномерной с частотой 25 кадров/с. Распределение передачи пакетов помогает избежать внезапной перегрузки буфера маршрутизатора из-за проблемы больших MPEG-кадров. Выбор первой половины длительности кадра является выбором разработчика.

Пакеты от источника VBR (от англ. Variable bit rate) видеотрафика и Парето-источников объединялись на узле шлюза. Обработка очереди осуществлялась по алгоритму Class-Based Queuing (CBQ) на шлюзе с одинаковой приоритетностью Internet- и видеотрафика. Размер буфера не изменялся в различных имитациях и составлял 100 пакетов.

Результаты моделирования

Для проверки воздействия Internet-трафика на видеотрафик имитации были проведены для каждой из видеотрасс «Silence of Lambs», «Star Wars 4», «Park Platz» сначала в отсутствие, а затем — в присутствии Internet-трафика с различным показателем Херста (см. таблицу).

Скорость передачи трафика, коэффициент потерь (КП), время задержки в буфере (ВЗБ) и вариация задержки в буфере (ВВЗБ) сравнивались для каждой трассы в трех вариантах. Основные показатели QoS видео- и Internet-трафика для различных значений показателя Херста Н представлены на рис. 3.

На рис. 3, а показано, что с увеличением пропускной способности (ПС) спутникового канала скорость передачи видео стремится к установившемуся значению. Также видно, что увеличение самоподобия Internet-трафика уменьшает СП видеотрафика, что, в свою очередь, приводит к увеличению ПС канала. Эффект усиливается с ростом средней СП видео и для видеотрасс «Silence of Lambs» проявляется при значениях ПС, находящихся в диапазоне от 1,2 до 2,4 Мбит/с.

Из рис. 3, б видно, что с увеличением самоподобия Internet-трафика возрастает коэффициент потерь видеотрафика, вследствие чего увеличивается ПС канала. Эффект усиливается с увеличением средней СП видеотрафика и проявляется в диапазоне от 1,2 до 2,4 Мбит/с.

На рис. 4 представлены зависимости СП Internet-трафика от ПС при различных значениях показателя Херста и изменении влияния самопо-добности видеотрафика.

Анализ приведенных на рис. 4 зависимостей показывает, что при значениях ПС спутникового канала 0,2... 1Мбит/с («Park Platz»), 0,2... 1,2 Мбит/с («Silence of Lambs») и 0,2...0,8 Мбит/с («Star Wars 4») самоподобие Internet-трафика практически не влияет скорость передачи суммарного трафика. При дальнейшем увеличении скорости передачи в диапазоне 1... 1,4 Мбит/с наблюдается возрастание влияние самоподобия Internet-трафика.

video(Pp)+ip Н-0,849 -A- video(Pp)+ip Н=0,761 -*г- video(Pp)+ip Н=0,685 video(Sol)+ip Н=0,849 |_ video(Sol)+ip Н=0,761 video(Sol)+ip Н=0.685 video(SW)+ip Н=0.849 --9- video(SW)+ip Н=0,761 video(SW)+ip Н=0,б85

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.S 2 2.2 2.4 2.6 2.S 3

Пропускная способность спутникового канала,

SC

s

-0-

ш 4

j

a

у

ь

§ з

i~

X

и

I 2

s

Э-

&

0

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,S 3

Пропускная способность спутникового канала,

i \

\\ -är- video(Pp)+ip H=0.S49 yideo(Pp)+ip H—0,761

\\ video(Sol)+ip H=0.849 -6- video(Sol)+ip H-0.761

video(Sol)+ip H-0.685 -9- video(SW)+ip H=0.849 -e- video(SW)+ip H-0.761

-+- video(SW)+ip H-0.685

а)

б)

Рис. 3. Скорость передачи (а) и коэффициент потерь (б) видеотрафика при совместной передаче с Шете1;-трафиком в зависимости от пропускной способности спутникового канала

0,2 0,4 0,6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

Пропускная способность спутникового канала, R0

а)

-ip(Sol)H=0.849

-ip(Sol)H=0.761

-ip(Sol)H=0.6S?

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8

Пропускная способность спутникового канала, Rc

б)

Пропускная способность спутникоаого канала, Rc

Рис. 4. Скорость передачи Internet-трафика в зависимости от ПС спутникового канала для различных значений показателя Херста при совместной передаче с видеотрафиком: а - «Park Platz»; б - «Silence of Lambs»; в - «Star Wars 4»

Таким образом, в результате имитационного моделирования показано, что самоподобие Internet-трафика влияет на передачу видеотрафика, ухудшая показатели QoS с ростом скорости передачи видеотрафика.

ЛИТЕРАТУРА

1. Breslau L. Example traffic trace for ns [June30, 2002].-http:/ /www.research.att.com/ ~breslau/vint/trace.html.

2. Claffy КС. The nature of the beast: recent traffic measurements from an Internet backbone. - Proc. INET’98, Geneva, Switzerland, July 1998.

3. Fitzek F. MPEG-4 and H.263 video traces for network performance evaluation. - Technical Report TKN-00-06, Technical University of Berlin, Telecommunication Networks Group, Berlin, Germany, Oct. 2000.

4. Garrett M. W. Analysis, modeling and generation of self-similar VBR video traffic. - Proc. Sigcomm '94, Sept. 1994, pp. 269-280.

5. http ://www. isi. edu/nsnam/ns/ns-documentation.html.

6. Krunz M. Statistical characteristics and multiplexing of MPEG streams. - Proc. of IEEE INFOCOM, 1995, pp. 455-462.

7. MPEG-4 and H.263 video traces for network performance evaluation. [June 30, 2002]. - http://www-tkn.ee.tu-berlin.de/research/trace/trace.html.

8. Thompson K. Wide area internet traffic patterns and characteristics. - IEEE/ACM Trans. Networking, pp. 10-23, Nov. 1997.

9. Сети спутниковой связи VSAT: Учеб. пособие для вузов. Шелухин О.И., Лукъянцев Д.А., Пастухов А.С., Голованов С.В. /Под ред. О. И. Шелухина - М.: МГУ Л, 2004.

10. Пастухов А. С., Разумов Я.М. Анализ передачи видео совместно с Internet-трафиком в стандарте DVB по спутниковым сетям связи. - Вестник Чувашского университета, 2007, №2, с. 249-256.

11. Пастухов А. С.,Разумов Я.М., Окулов КЮ.,Гуреев А.К. Моделирование совместной передачи видео- и Internet-трафика в стандарте DVB/IP/MPEG-2 в гибридных спутниковых сетях связи. - Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2007, т.З, №2, с. 56-60.

12.Пастухов А.С., Разумов Я.М. Моделирование передачи видео совместно с Internet-трафиком в стандарте DVB/IP/MPEG-2 по гибридным спутниковым сетям связи. - Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем: Тр. пятой Всеросс. научн.-практич. конф., посвященной 50-летию УлГТУ, г. Ульяновск, 2007, с. 179-181.

\3.Пастухов А.С., Чумаров С.Г., Иванов Ю.А. Оценка работы модификаций протокола TCP в сетях с коммутацией пакетов. - Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития: Докл. Междунар. научн.-практ. конф., Томск, 2007, ч. 1, с. 111-113.

14 .Шелухин О.И., Пастухов А. С., Матвеев С.Б. Экспериментальное исследование самоподобия GPRS-трафика в сотовой сети связи стандарта GSM. -Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2007, т.З, №2, с. 49-55.

15.Шелухин О.И., Тенякшев А.М., Осин А.В. Фрактальные процессы в телекоммуникациях / Под ред. О.И. Шелухина. - М.: Радиотехника, 2003.

Поступила 16.12. 2008 г.