СИСТЕМА КОММУТАЦИИ МУЛЬТИМЕДИЙНОГО ТРАФИКА НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРИОРИТЕТОВ

Полезная модель относится к технике связи, а именно, к системам с коммутацией пакетов, и предназначена для использования при построении систем коммутации разнородного трафика в мультисервисных сетях связи.
Одной из проблем функционирования коммутационного оборудования мультисервисных сетей связи является дискриминация низкоприоритетного трафика в условиях высокой загрузки системы коммутации. (Столлингс В. Современные компьютерные сети. - СПб.: Питер, 2003. - 783 с.).
Одним из способов повышения объема обслуженного низкоприоритетного трафика в условиях высокой загрузки системы коммутации является применение дисциплины обслуживания с динамическими приоритетами. (Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. - М.: Мир, 1979. - 600 с.).
Известно устройство с модифицированной схемой и методом передачи трафика согласно циклической дисциплине обслуживания, содержащее два порта для поступающего трафика, обслуживающий прибор и систему управления (патент US №009073968, МПК H04L 12/50 от 19.03.2009). Данное устройство позволяет устранить дискриминацию низкоприоритетного трафика за счет выделения каждому источнику определенной полосы пропускания согласно приоритету.
Недостатком данного аналога является статичность распределения пропускной способности между источниками трафика. Данный недостаток при определенных условиях функционирования не позволяет оптимально использовать ресурсы системы коммутации для обслуживания низкоприоритетного трафика. (Бронштейн О.И., Духовный И.М. Модели приоритетного обслуживания в информационно-вычислительных системах. - М.: Наука, 1976. - 220 с.).
Известен также метод обслуживания трафика от множества источников с различными приоритетами обслуживания (патент ЕР №1648125, МПК H04L 12/56 от 19.04.2006). Данный метод основывается на комбинации двух дисциплин обслуживания: дисциплине с приоритетами, предоставляющей специальное обслуживание согласно уровню сервиса и циклической дисциплине обслуживания, при которой селектор очереди гарантирует определенную пропускную способность согласно весу данной очереди. Данный метод также позволяет устранить дискриминацию низкоприоритетного трафика за счет назначения веса очереди и циклического обслуживания каждой из них согласно назначенному весу.
Недостатком данного аналога является неизменность веса очереди, назначаемого администратором. Это может привести к неэффективному использованию ресурса пропускной способности для обслуживания низкоприоритетного трафика в случае изменения условий функционирования обслуживающего устройства. (Бронштейн О.И., Духовный И.М. Модели приоритетного обслуживания в информационно-вычислительных системах. - М.: Наука, 1976. - 220 с.).
Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям аналогом (прототипом) к заявляемой системе коммутации мультимедийного трафика на основе динамических приоритетов является метод и устройство пакетного планировщика (патент US №2011158091, МПК H04L 12/56 от 30.06.2011). Данный метод включает: буферизацию полученного пакета в соответствующую виртуальную выходную очередь согласно классу сервиса; определение веса каждой очереди в соответствии с количеством содержащимся в ней пакетов; обслуживание каждой очереди на основе планирования в несколько этапов согласно ее весу и классам качества. На первом этапе производится планирование обслуживания в режиме строгого приоритета, а на втором этапе - циклическое обслуживание всех очередей.
При такой совокупности описанных действий достигается адаптация распределения ресурсов к изменяющимся условиям функционирования системы обслуживания за счет автоматического определения веса очереди в зависимости от степени загрузки при сравнительно низких затратах аппаратных ресурсов.
Однако устройство-прототип имеет недостаток: в определенных условиях возможна дискриминация низкоприоритетного трафика из-за того, что при обслуживании очередей в режиме строгого приоритета показатели качества обслуживания трафика низкоприоритетных очередей не соответствуют предъявляемым требованиям при наличии доступных ресурсов пропускной способности.
Задачей настоящей полезной модели является разработка системы коммутации мультимедийного трафика на основе динамических приоритетов, позволяющей повысить объем обслуженного низкоприоритетного трафика за счет своевременного внесения изменений в дисциплину обслуживания.
Эта задача решается тем, что система коммутации мультимедийного трафика на основе динамических приоритетов, содержащая память для очередей пакетов трафика, коммутационную матрицу и планировщик коммутации пакетов, при этом планировщик коммутации пакетов соединен с коммутационной матрицей и памятью для очередей трафика, отличается тем, что содержит блок измерения и сравнения параметров трафика, блок расчетов и блок управления очередью, при этом блок измерения и сравнения параметров трафика соединен с памятью для очередей пакетов трафика, а также с блоком расчетов, при этом блок расчетов соединен с блоком управления очередью, а блок управления очередью соединен с коммутационной матрицей.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность повышения объемов обслуженного низкоприоритетного трафика, поскольку введенные в блок планировщика дополнительные блоки производят периодический контроль параметров поступающего и обслуженного трафика согласно классам сервиса, производят расчет показателей качества обслуживания трафика и производят управление очередью в зависимости от данных расчета и требований качества обслуживания. Тем самым всем поступающим в систему потокам мультимедийного трафика предоставляется специальное обслуживание согласно классам сервиса, не допускается дискриминация потоков низкоприоритетного трафика и производится автоматическая адаптация дисциплины обслуживания к изменяющимся условиям функционирования системы обслуживания, что позволяет в определенных условиях наиболее эффективно использовать ресурсы системы обслуживания и тем самым обеспечить больший объем обслуженного низкоприоритетного трафика.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие полезной модели условию патентоспособности «новизна».
Заявленная полезная модель поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1 - общая структурная схема системы коммутации мультимедийного трафика на основе динамических приоритетов;
фиг.2 - схема алгоритма работы введенных блоков планировщика.
Система коммутации мультимедийного трафика на основе динамических приоритетов, показанная на фиг.1, содержит память для очередей пакетов трафика 1, коммутационную матрицу 2, планировщик коммутации пакетов 3. При этом планировщик коммутации пакетов 3 соединен с памятью 1 и коммутационной матрицей 2. Планировщик коммутации пакетов 3 содержит блок измерения и сравнения параметров трафика 4, блок расчетов 5 и блок управления очередью 6. Блок измерения и сравнения параметров трафика 4 соединен с памятью для очередей пакетов трафика 1 и с блоком расчетов 5. Блок расчетов 5 соединен с блоком управления очередью 6, а блок управления очередью 6 соединен с коммутационной матрицей 2.
Память для очередей пакетов трафика 1 предназначена для оперативного хранения поступающих пакетов мультимедийного трафика и может быть выполнена на базе микросхемы K4D263238F-QC50 производства компании "Samsung" (Энциклопедия электронных компонентов. Большие интегральные схемы // Е.Богатырев и др. - 2006. - С.224.).
Коммутационная матрица 2 предназначена для коммутации поступающего трафика на один из выходов системы коммутации и может быть выполнена на базе микросхемы AR8316 производства компании "Atheros" (Энциклопедия электронных компонентов. Большие интегральные схемы // Е.Богатырев и др. - 2006. - С.224).
Планировщик коммутации пакетов определяет порядок обслуживания очередей, таким образом, чтобы пропускная способность системы коммутации и эффективность использования ресурсов системы коммутации были максимальными. Дополнительной задачей планировщика коммутации пакетов является устранение дискриминации низкоприоритетного трафика. Введенный в планировщик коммутации пакетов блок измерения и сравнения параметров трафика производит сбор данных о поступающем и обслуженном трафике, производит расчет статистических характеристик трафика и производит сравнение параметров качества обслуживания системы обслуживания с требуемыми значениями. Введенный в планировщик коммутации пакетов блок расчетов вычисляет основные показатели качества функционирования системы обслуживания на основе данных, поступающих с блока измерения и сравнения параметров трафика и в соответствии с этим производит расчет управляющих воздействий на коммутационную матрицу, при которых выполняются требования к качеству обслуживания поступающего трафика. Введенный в планировщик коммутации пакетов блок управления очередью на основе полученных от блока расчетов данных производит управляющие воздействия на коммутационную матрицу. Введенный блок измерения и сравнения параметров трафика, блок расчетов и блок управления определяют логику функционирования системы коммутации и могут быть реализованы в виде программный модулей, логика работы которых представлена на фиг.2. Планировщик может быть выполнен на базе микросхемы FWIXP420BB (L4520230) производства компании "Intel" (В.Бройдо, О.Ильина. Архитектура ЭВМ и систем. - СПб.: Питер, 2009. - 720 с.).
Промышленная применимость полезной модели обусловлена тем, что она может быть осуществлена с помощью современной элементной базы, с достижением указанного в полезной модели назначения.
В известной работе (Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. - М.: Мир, 1979. - 600 с.) получена обобщенная формула среднего времени ожидания обслуживания пакетов r-го приоритета для дисциплины обслуживания s-порядка:
R
где ρ - суммарная нагрузка коммутационной матрицы;
r
ρ - суммарная нагрузка коммутационной матрицы пакетами приоритета не выше r;
R
µ - интенсивность обслуживания суммарного потока пакетов;
r
1
2
r
b - коэффициент, определяющий скорость нарастания приоритета для пакетов соответствующих классов обслуживания (b≥b≥…≥b≥0).
При s→0 получаем систему обслуживания в порядке приоритетов, не изменяющихся во времени - относительных фиксированных приоритетов. При s=1 имеем систему с приоритетами, линейно изменяющимися во времени - относительными динамическими приоритетами.
Для того чтобы всем поступающим в систему потокам мультимедийного трафика предоставить специальное обслуживание согласно классам сервиса, не допустить дискриминации потоков низкоприоритетного трафика и произвести автоматическую адаптацию дисциплины обслуживания к изменяющимся условиям функционирования системы обслуживания в системе коммутации необходимо управление очередью, которое будет выполнять следующие основные функции:
- периодический контроль основных показателей качества обслуживания (задержки, потери пакетов различных приоритетных классов);
- автоматическое принятие решения на изменение дисциплины обслуживания в зависимости от нагрузки со стороны поступающего трафика и соответствия показателей качества обслуживания установленным нормам (изменение управляющего параметра s);
r+1
r
r+1
r
1/s
- перерасчет переменной (b/b) (относительной скорости изменения приоритета) за счет изменения параметров b, b, s, с целью регулирования среднего времени ожидания обслуживания (задержки) для поддержания показателей качества функционирования в пределах установленных норм.
пп
пп
Поступающий на вход системы коммутации трафик можно разделить на две части: трафик, чувствительный к задержкам (высокоприоритетный) и трафик, не чувствительный к задержкам (низкоприоритетный). Следовательно, весь трафик можно разделить на два приоритетных класса R=2. При этом с учетом требований качества обслуживания задержка пакетов высокоприоритетного трафика t(1) (первого приоритета) не должна превышать требуемое значение , а задержка пакетов низкоприоритетного трафика t(2) (второго приоритета) не должна превышать .
r
Средняя задержка пакетов r-го приоритета системы коммутации с динамическими приоритетами (ДП)  складывается из среднего времени ожидания обслуживания  и среднего времени обслуживания x, что позволяет вычислить требуемое время ожидания обслуживания, так как среднее время обслуживания пакетов расчитано:
В тоже время на основании формулы Литтла среднее время ожидания обслуживания пакетов r-го приоритета:
r
где  - средняя длина очереди пакетов r-го приоритета; λ - интенсивность поступления пакетов r-го приоритета.
На основании "закона сохранения накопленной в очереди работы" и метода диффузионной аппроксимации (Сычев К.И. Многокритериальное проектирование мультисервисных сетей связи. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008 - 272 с.) средняя длина очереди пакетов эластичного трафика (r=2) в системе коммутации типа  с динамическими приоритетами определяется как:
где  - средняя длина очереди для суммарного потока приоритета не выше r;
,  - соответственно квадратичные коэффициенты вариации для распределений времени поступления и обслуживания пакетов r-го приоритета;
- средняя длина очереди пакетов r-го приоритета в системе коммутации типа  с динамическими приоритетами, определяемая как .
Среднее время ожидания обслуживания пакетами r-го приоритета в системе коммутации типа  с динамическими приоритетами -  определяется решением системы уравнений (Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. - М.: Мир, 1979. - 600 с.). Решение системы для случая R=2:
На основе полученных результатов (5) и (6), используя формулу Литтла (3), а также формулу (4), получим среднее время ожидания обслуживания .
2
1
2
1
Основной целью приведенных расчетов является вычисление отношения b/b, при котором величина задержки пакетов низкоприоритетного трафика будет соответствовать требованию . В итоге получаем уравнение с одним неизвестным - переменной b/b, которая вычисляется в результате простейших линейных математических операций.
2
1
После необходимо определить задержку пакетов высокоприоритетного трафика при полученном отношении b/b на основе аналогичной последовательности вычислений с целью проверки условия .
В случае несоответствия вероятности потери пакетов r-го приоритета  требуемому значению  необходимо произвести перерасчет требуемого объема буферной памяти для очереди пакетов  с учетом текущих условий функционирования системы коммутации.
Для этого блок расчетов вычисляет объем буферной памяти для очереди пакетов  (Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. - М.: Мир, 1979. - 600 с.):
где  - требования по вероятность потери пакетов.
Выражение (7) для расчета требуемого объема буферной памяти  учитывает текущие параметры входящего трафика, такие как нагрузка  и изменчивость, определяемая квадратичными коэффициентами вариации распределений времени между поступлениями пакетов  и времени обслуживания пакетов  для индивидуальных потоков по приоритетам, а также для суммарного трафика приоритета не выше , .
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Пакеты мультимедийного трафика поступают в систему коммутации и выходят из системы через соответствующие интерфейсы 1′. Данные поступающего и обслуженного трафика (длительности времени между пакетами и длительности пакетов) по связи 1″ поступают в блок измерения и сравнения параметров трафика. Характеристики входящего и обслуженного трафика  (фиг.2) рассчитываются блоком измерения и сравнения параметров трафика 4 (фиг.1). В случае несоответствия измеренных показателей качества обслуживания требуемым (фиг.2), блок измерения и сравнения параметров трафика 4 осуществляет передачу характеристик поступающего трафика в блок расчетов 5 (связь 4′, фиг.1).
Основной задачей блока расчетов 5 является вычисление основных показателей качества функционирования системы коммутации на основе исходных данных о поступающем трафике и расчет управляющих параметров дисциплины обслуживания , при которой выполняются требования к качеству обслуживания поступающего трафика (фиг.2).
Блок расчетов 5 сравнивает рассчитанную задержку пакетов 1-го приоритета в системе коммутации с динамическими приоритетами  с требуемой задержкой  (фиг.2). В случае  блок расчетов 5 передает в блок управления очередью 6 следующие параметры (связь 5′, фиг.1):
- s=1 - параметр управления, указывающий на переход от фиксированных приоритетов к динамическим;
- переменная  - определяет относительную скорость изменения приоритетной функции, т.е. отношение  показывает, во сколько раз быстрее высокоприоритетный трафик (r=1) наращивает свой приоритет по отношению к низкоприоритетному трафику (r=2).
В дальнейшем блок расчетов 5 в блок управления очередью 6 осуществляет периодическую (в случае действия дисциплины обслуживания с динамическими приоритетами) передачу рассчитанных параметров управления (связь 6′, фиг.1): s и , а также рассчитанное значение требуемого объема буферной памяти  с учетом текущих условий функционирования системы коммутации.
Блок управления очередью 6 на основе полученных управляющих параметров определяет дисциплину обслуживания (фиг.2):
- осуществляет переход на дисциплину обслуживания с динамическими приоритетами s=1;
1
2
- определяет скорость возрастания приоритета пакетов непрерывного b и эластичного трафика b;
r
- изменяет объем буферной памяти K согласно рассчитанному требуемому значению  с учетом текущих условий функционирования системы коммутации;
- осуществляет возврат к дисциплине обслуживания с фиксированными приоритетами (s=0) в случае соответствия показателей качества обслуживания пакетов непрерывного и эластичного трафика.
1
2
r
В результате функционирования системы коммутации на основе управления очередью высокоприоритетному трафику, чувствительному к задержкам, предоставляется специальное обслуживание и при этом не допускается блокировка низкоприоритетного трафика. Это достигается за счет своевременного внесения изменений в дисциплину обслуживания согласно рассчитанным параметрам управления (s, b, b, K), что приводит к перераспределению ресурсов системы коммутации от высокоприоритетного трафика к низкоприоритетному при условии обеспечения качества обслуживания первого. В этом заключается механизм автоматической адаптации распределения ресурсов к изменяющимся сетевым условиям, который позволяет обслужить больший объем низкоприоритетного трафика. Результаты аналитических расчетов, а также проведенного имитационного моделирования при различных требованиях к задержке пакетов и нагрузке на систему коммутации показывают, что прирост объема обслуженного низкоприоритетного трафика составляет при различных условиях моделирования составил от 3% до 36%.