Экспериментальные исследования фрактальных свойств GPRS-трафика протоколовсетевых уровней

ИНФОРМАЦИОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

УДК 693.548

Экспериментальные исследования фрактальных свойств GPRS-трафика протоколов сетевых уровней

О.И. Шелухин, С.Б. Матвеев, А.С. Пастухов

Исследованы фрактальные свойства реального GPRS-трафика в сети ЗАО «Шупашкар GSM» г. Чебоксары; рассмотрены протоколы сетевых уровней.

Study the fractal properties of real GPRS-traffic in the ZAO "Shupashkar" network (Cheboksary, Russia); consider the network layer protocols only.

На рынке телекоммуникационных услуг сервисы реального времени занимают одно из лидирующих мест, и с каждым годом количество пользователей подобными услугами возрастает. Одним из направлений развития сервисов реального времени является внедрение услуги пакетной передачи данных GPRS (от англ. General packet radio service) в сотовых сетях связи. Доступ к Internet-сети осуществляется на основе услуги GPRS при помощи мобильного телефона. Информация, предаваемая по каналу, называется GPRS-трафиком.

Описание исследуемой сетевой конфигурации

Существующая сеть GSM не имеет достаточного набора функциональных возможностей, чтобы реализовать услуги GPRS. Внедрение GPRS в сеть GSM требует дополнительных компонентов, которые обеспечивают коммутацию пакетов. Архитектура сети GSM состоит из следующих узлов (рис.1).

1. Входной узел GPRS GGSN (от англ. Gateway GPRS Support Node) служит интерфейсом сетей передачи данных общего пользования PDN (от англ. Packet Data Network) или других общедоступных сетей подвижной связи PLMN (от англ. Public Land Mobile Network). Здесь выполняются функции переключения, оценки адресов протоко-

лов данных пакета PDP (от англ. Packet Data Protocol) и последующая маршрутизация абонентов.

2. Опорный узел GPRS является центром коммутации SGSN (от англ. Serving GPRS Support Node) и аналогичен передвижному коммутационному центру MSC (от англ. Mobile Swithing Centre), здесь определяются адреса пакетных данных и передаются в международную сеть IMSI (от англ. International Mobile Subscriber Identity). SGSN отвечает за маршрутизацию в сети с пакетной радиосвязью, а также за мобильность и управление ресурсами. Кроме того, SGSN обеспечивает аутентификацию и шифрование данных для абонентов GPRS. Связь между SGSN и GGSN в пределах одного PLMN происходит с использованием PLMN IP версии 6 (IPv6) или IP версии 4 (IPv4) по Gn-интерфейсу при помощи протокола каналообразо-вания GTP (от англ. GPRS Tunneling Protocol). По GTP передаются специальные данные, которые нужны для управления подвижностью GPRS GMM (от англ. GPRS Mobility Management), а также для модификации и удаления каналов. GTP использует пользовательский протокол дейтаграмм UDP для передачи данных в базовой сети. Связь между GGSN и PDN обеспечивает интерфейс Gi, котором осуществляется обмен по базовым протоколам TCP/IP, X.25 и др. По интерфейсам Gb, BSSGP (протокол подсистемы базовой станции

Рис. 1. Сетевая архитектура сети сотовой связи

GPRS) производится связь без установления логического соединения между BSS и SGSN. Основная задача протокола - управление потоком данных для передачи на LLC PDUs (от англ. Logical Link Control) при передачи “вниз”. В случае передачи “вверх”, управление потоком не выполняется. SGSN находится в режиме ожидания до тех пор, пока не будут приняты все данные, которые были помещены в буфер, при этом ресурсы, выделяемые для соединения, должны быть соизмеримы с объемом данных, во избежание потери данных при передачи “вверх”.

3. Центр коммутации мобильной связи MSC выполняет функции коммутации для мобильной связи. Данный центр контролирует все входящие и исходящие вызовы, поступающие из других телефонных сетей и сетей передачи данных. К данным сетям можно отнести сети данных общего пользования PSDN (от англ. Public Switched Data Network) и корпоративные сети ISDN (от англ. Integrated Services Digital Network), а также сети мобильной связи других операторов. MSC обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами, формирует данные, необходимые для выпис-

упашкар GSM'

ки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг).

4. Контроллер базовых станций BSC (Base

Station Controller) - управляет всеми функциями, относящимися к работе радиоканалов в сети GSМ. Это коммутатор большой емкости, который обеспечивает такие функции, как хэндовер MS, назначение радиоканалов и сбор данных о конфигурации сот. Каждый MSC может, ушавлятц. несколькими BSC. Обмен данными с|^^гЦ^оисходит через (5ШК англ- Packet Control Unit) - устрой-

ство контроля пакетной передачи.

5. Базовая станция BTS (от англ. Base Transceiver Station) управляет радиоинтерфейсом от MS к BS. Базовая станция включает в себя трансиверы (приемопередатчики), антенные модули и платы управления, которые необходимы для обслуживание каждой соты в сети. Контроллер BSC управляет несколькими BTS.

6. Мобильная станция MS (от англ. Mobile Station) используется абонентом для осуществления связи в пределах сети и состоит из мобильного телефона и модуля идентификации абонента

Asub

(SIM). Связь между MS и BS осуществляется с помощью Um-интерфейса (или Radio-интерфейса), в котором реализованы методы множественного доступа FDMA и TDMA. В стандартах GSM-900 и DCS-1800 частотное разнесение составляет 45 и 85 МГц соответственно. Физические и логические каналы, применяемые в GPRS, аналогичны каналам в GSM с учетом контроля доступа и получения данных. Однако GPRS не требует фиксированного распределения каналов для пакетных данных PDCH (от англ. Packet Data Channel). Пропускная способность канала для GPRS-трафика определяется согласно фактическому требованию. Число фиксированных PDCH по требованию определяются сетевыми операторами.

7. Анализатор телекоммуникационных протоколов Acterna-8630 выполнен на базе ПК c процессором Pentium II, оснащенным ОЗУ и ПЗУ небольшого объема, жидкокристаллическим дисплеем и внешней клавиатурой. При с работе в MS Windows такая конфигурация прибора позволяет пользователю обрабатывать сигнальную информацию, поступающую на вход анализатора. Анализатор оснащен внутренними платами с двумя внешними полнодуплексными выходами E1 на каждой. Прибор способен анализировать следующие протоколы: ОКС-7, ISDN PRI, GSM, VoIP, GPRS, FTP, HTTP, SMTP, WAP, DNS, DHCP, RADIUS, PPP. Функция анализа протоколов дает возможность обслуживания и корректировки неполадок стационарных сетей и систем подвижной связи.

Проведение измерений

Анализатор телекоммуникационных протоколов Acterna-8630 подключался параллельно к Gb-интерфейсу и анализировались входящий и исходящий трафик и в течение 24 ч. с разрешением 1 с. Максимальная пропускная способность Gb-интерфейса составляла 1088кбит/с, что соответствует 17 временным слотам. Измерения проводились с 14.05.2007г. (09:30:15) по 15.05.2007г. (09:27:15).

Используемый сетевой анализатор записывал trace-файлы, в которых содержалась информация о находящихся в потоке данных. Затем данные обрабатывались с помощью специализированного программного обеспечения для исследования их фрактальных свойства.

Анализ полученных данных

Полученные экспериментальные данные записанные по протоколам FR, FTP, FTP DATA, HTTP, ICMP SMTP WAP, WAE, WSP, WTP, представлены

в виде графиков на рис. 4-13. Структура трафика представлена на диаграммах (рис. 2-3).

Рис. 2. Статистические характеристики входящих трафиков

Рис. 3. Статистические характеристики исходящих

трафиков

Как видно из диаграмм, GPRS-трафик в основном определяется следующими протоколами: FR, HTTP, ICMP и WAP (IP, TCP и UDP в данном случае не рассматриваются), о чем свидетельствуют объемы переданных данных.

Основной объем данных приходится на протокол сетевого уровня Frame Relay, который составляет более 70 % полученных трафиков. Из объема трафика HTTP можно сказать, что пользователи услугами GPRS в основном пользуются GPRS Internet, а не GPRS WAP, о чем свидетельствуют объемы полученных данных.

На рис. 4 представлены входящий и исходящий трафики Frame Relay, откуда видно, что объем входящего трафика превышает объем исходящего в 1,8 раза, при этом не учитываются объемы других трафиков. Пиковое значение составляет 455834 бит/с, что оценено с помощью специального пакета программ. Среднее значение показателя Херста составляет 0,678 (DL) и 0,678 (UL), что показывает наличие самоподобной структуры FR-трафика.

На рис. 5 представлен входящий и исходящий трафики FTP соответственно. Статистические характеристики трафика FTP приведены в табл. 1.

Таблица. 1. Основные показатели сетевого трафика

Исследуемый трафик Число точек Максимальное значение, бит/с Среднее значение, бит/с Минимальное значение, бит/с Объем данных, бит Объем данных, %

FR(DL) 86214 455834 120177 0 1403360648 72,6

FR(UL) 86214 161372 19453 0 343780704 78,2

FTP(DL) 86216 3160 135 0 289392 0,01

FTP(UL) 86217 2720 90,5 0 189872 0,04

FTP ATA(DL) 86218 35792 546 0 721608 0,037

HTTP(DL) 86220 206496 14392 0 502352568 26

HTTP(UL) 86221 60848 1573 0 80361736 18,27

ICMP(DL) 86225 14392 119 0 9788104 0,5

ICMP(UL) 86225 17200 104 0 8518312 1,93

SMTP(DL) 86225 17120 258 0 2622912 0,1

SMTP(UL) 86227 19752 130 0 1325768 0,3

WAP(DL) 86227 47680 800 0 9211600 0,47

WAP(UL) 86228 38696 363 0 4184856 0,95

WAE(DL) 86228 12456 163 0 381336 0,02

WAE(UL) 86229 1768 0,75 0 1768 0,004

WSP(DL) 86229 25616 291 0 2097736 0,1

WSP(UL) 86229 19080 56 0 401520 0,5

WTP(DL) 86230 25616 222 0 1811528 0,9

WTP(UL) 86230 24272 111 0 908848 0,2

Общий объем 86230 1189870 158982,5 0 2372310816 100 DL/UL

Среднее значение показателя Херста составляет 0,6768 для входящего и 0,6478 для входящего трафиков. Это свидетельствует о наличии самоподобных свойств FTP-трафика в GPRS.

На рис. 6 представлен трафик FTP DATA (DL). Исходящий трафик в измерениях отсутствовал. Это означает, что полученные данные по протоколу FTP DATA чисто асимметричный и информация по протоколу FTP передается только абоненту в направлении “вниз”.

На рис. 7 представлены входящий и исходящий HTTP-трафики. Протокол сетевого уровня HTTP передает web-страницы (текстовые файлы с разметкой HTML) практически в асимметричной последовательности “запрос-ответ”, о чем свидетельствуют статистические характеристики (см. рис. 2 и 3) HTTP-трафика, которые составляют 26 % объема входящего и 18 % исходящего трафиков соответственно.

На рис. 8 и 9 представлен входящий и исходящий ICMP- и SMTP-трафики. Из статистических характеристик графиков (см. табл. 1) видно, что, абоненты, выходя в сеть Internet, пользуются электронной почтой (e-mail), которая передается по составляющим почтового сетевого сервера используя

протоколы ICMP и SMTP. На рис. 10 представлены входящий и исходящий WAP-трафики. WAP-протокол состоит из WAE, WSP и WTP, графики которых представлены ниже. Из анализа выше-представленных графиков можно сказать, что GPRS-WAP используются абонентами значительно реже, чем GPRS-Internet, в который входит протокол HTTP, и объем трафика HTTP в 8,72 раза больше, чем в WAP.

На рис. 11 представлены входящий и исходящий WAE-трафики. Протокол WAE входит в протокол WAP как прикладная среда беспроводной связи. Его объем составляет 381336 бит для входящего трафика и 1768 бит для исходящего, что составляет 4,14% от общего объема WAP-трафика. На рис. 12 представлены входящий и исходящий WSP-трафики. Протокол WSP, так же как и протокол WAE, входит в протокол WAP как беспроводной протокол организации сеанса связи и относится к сеансовому уровню. Объем WSP составляет 22,77 % от общего объема WAP- трафика.

На рис. 13 представлены входящий и исходящий WTP-трафики. Протокол WSP также является протоколом WAP и уровнем транзакции. Объем входящего трафика в 2 раза превышает объем ис-

ходящего и составляет 9,86 % от общего объема WAP-трафика.

Из данных, приведенных в табл. 1, видно, что среднее значение входящего трафика в 4,4 раза больше, чем у исходящего.

Исследования самоподобия экспериментальных данных, проводились на основе программы 8е1Й8 1.0 [2] с помощью пяти методов оценки. Для оценки показателя Херста было предложено использовать среднее арифметическое значение по

пяти методам оценки. Результаты полученных экспериментальных данных у ОРЯЗ-трафика показало наличие самоподобной структуры на основе различных протоколов сетевых уровней, а также то, что не все протоколы сетевых уровней обладают фрактальными свойствами. Численные значения показателей Херста при различных методах оценки и для различных видов трафика приведены в табл. 2.

Таблица 2. Значения показателя Херста для протоколов сетевых уровней

Вид трафика Методы оценки показателя Херста

Агрегированная вариация R/S статистика Периодограммный метод Вейвлет- метод Оценка Виттла Среднее значение Херста

FR(DL) 0,784 0,745 0,610 0,588 0,663 0,678

FR(UL) 0,774 0,725 0,598 0,593 0,703 0,6786

FTP(DL) 0,664 0,690 0,638 0,729 0,663 0,6768

FTP(UL) 0,680 0,690 0,503 0,700 0,666 0,6478

FTP TA(DL) 0,588 0,685 0,841 0,704 0,655 0,6946

HTTP(DL) 0,758 0,754 0,620 0,625 0,678 0,687

HTTP(UL) 0,669 0,721 0,605 0,615 0,621 0,6462

ICMP(DL) 0,552 0,608 0,498 0,574 0,531 0,5526

ICMP(UL) 0,613 0,623 0,545 0,612 0,569 0,5924

SMTP(DL) 0,826 0,744 0,691 0,693 0,754 0,7416

SMTP(UL) 0,713 0,689 0,710 0,752 0,738 0,7204

WAP(DL) 0,653 0,722 0,793 0,873 0,804 0,769

WAP(UL) 0,692 0,745 0,990 0,944 0,855 0,8452

WAE(DL) 0,315 0,497 0,384 0,671 0,500 0,4734

WAE(UL) 0,500 0,540 0,499 0,654 0,500 0,5386

WSP(DL) 0,670 0,615 0,588 0,697 0,598 0,6336

WSP(UL) 0,535 0,606 0,649 0,649 0,599 0,6076

WTP(DL) 0,540 0,584 0,617 0,693 0,574 0,6016

WTP(UL) 0,515 0,624 0,626 0,751 0,612 0,6256

Рис. 4. Входящий (а) и исходящий (б) трафики Frame Relay

Рис. 5. Входящий (а) и исходящий (б) трафики FTP

ис. б. Входящий трафик FTP

Рис. 7. Входящий (а) и исходящий (б) трафики HTTP

1,5 • 1G

1 • 1G

5GGG

4 4

G 2•1G4 4•1G4

2 • 1G

1 • 1G

1G4 8•1G4

G 2•1G4 4•1G4 6•1G4 8•1G4

а)

б)

Q

Рис. S. Входящий (а) и исходящий (б) трафики HTTP

Рис. 9. Входящий (а) и исходящий (б) трафики SMTP

0 2000 4000 6000 8000 10000

а) б)

Рис. 10. В Едящий (а) и исходящий (б) трафики WAP

2000

1500

1000

500

0

п----------1---------1---------г

J__________L

J________________L

а)

о.

500 1000 1500 2000 2500

б)

Рис. 11. Входящий (а) и исходящий (б) трафики WAE

3 • 10

2 • 10

1 • 10

0

і і і і і і г

2 • 10

1 • 10 -

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

а)

0

0

Рис. l2. Входящий (а) и исходящий (б) трафики WSP

Электротехнические и информационные комплексы и системы № З, т. З, 2007 г. ЗЭ

о

4

3 • 104

4

2 • 104 4

1 • 104 0

0 2000 4000 6000 8000

а)

б)

Рис. 13. Входящий (а) и исходящий (б) трафики WTP

Таким образом, после проведен^^ исследований можно сделать следующие выволок j

1) анализ полученных экспериментальных

данных показывает наличие самоподЬтаой структуры как у входящих, так и у исходящ^^РК-, HTTP-, ICMP-, WAP-трафиков; ^

2) наибольшее значение показат^м^ Херста наблюдается во входящих FR-, НТТР-,£тЁ!МР-, WAP-трафиках;

3) наибольший объем трафикаС^риходит на

протокол FR, что соответствует боле£2£% всего исследуемого трафика; <D

4) трафик HTTP свидетельствуема о том, что

пользователи услугами GPRS в основшШ' пользуются GPRS-Internet, что в десятки раэ^ревосходит GPRS-WAP; С

5) разложение GPRS-трафика на множество различных протоколов позволило итеяедовать наличие самоподобных свойств у этих K’ljTTfioiieii ion.

О

о

Он

о

ЛИТЕРАТУРА

1. Шелухин О.И., Матвеев С.Б., Пастухов А.С. Экспериментальное исследование самоподобия GPRS-трафика в сотовой сети связи стандарта GSM. -Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2007, т. 3, №2, с. 50-57.

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

3. Шелухин О.И., Осин А.В., Ахметшин Р.Р. Оценка самоподобности речевого трафика вейвлет-методом. - Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2007, т.3, №1.

4. Traffic Engineering Concepts for Cellular Packet Radio Networks with Quality of Service Support Univer-sit atspprofessor Dr, - Ing, Bernhard Walke: 23, Juni 2003.

Поступила 25. 04. 2007 г.

U

Выборка по