Принципы функционирования протокола канального уровня для пакетной передачи разнородного трафика по низкоскоростным каналам

Принципы функционирования протокола канального уровня для пакетной передачи разнородного трафика по низкоскоростным каналам

РАССМАТРИВАЮТСЯ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРОТОКОЛА КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ, ВХОДЯЩЕГО В СОСТАВ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ПРОТОКОЛЬНОГО СТЕКА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ИНТЕГРАЛЬНУЮ ПЕРЕДАЧУ РЕЧЕВОГО ТРАФИКА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ И ДАННЫХ В ПАКЕТНОЙ СИСТЕМЕ СВЯЗИ ПО НИЗКОСКОРОСТНЫМ КАНАЛАМ НЕВЫСОКОГО КАЧЕСТВА. ОБСУЖДАЮТСЯ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ.

Введение

В соответствии с моделью Взаимодействия Открытых Систем (BOC/OSI) канальный уровень (по РД 45.128-2000 "Сети и службы передачи данных" — уровень звена данных, Data Link Layer [1]) относится ко второму уровню ее архитектуры. От процедур канального уровня, используемых в мультисервисной системе связи, во многом зависят вероятностно-временные характеристики доставки данных и обеспечение качества сервиса (QoS) при передаче речевого трафика реального времени.

Известно, что требования, которым должна соответствовать интегральная система связи при передаче данных и при передаче речи в пакетном режиме, во многом являются противоречивыми.

При передаче данных (причем не только пользовательских, но также служебной информации системной сигнализации) должны быть полностью исключены ошибки (искажения) и потери информации, но некоторая разумная задержка обычно оказывается вполне допустимой. Поэтому на канальном уровне при передаче данных применяются различные методы, основанные на применении обратной связи и переспросе искаженных кадров, в том числе с ожиданием, с непрерывной передачей и блокировкой, адресным переспросом, которые реализуются в протоколах семейства HDLC, гибридных ARQ (Hybrid Automatic

Ререа1-геяие$1; А1Ю) [2,3] и др. Однако из-за переспроса кадров на "плохих" каналах передача речи в реальном масштабе времени становится практически невозможной, что хорошо известно по технологии Х.25 [4].

Напротив, при передаче речи, как правило, допускается искажение или потеря до ~1-3% речевых пакетов [5,6], поскольку такие потери не приводят к серьезному снижению качества восстановленной речи, но увеличение времени доставки речевой информации (задержки) может серьезно нарушить естественность диалога и сделать его качество неприемлемым. При этом канальный уровень, на котором обычно функционируют такие протоколы, как РРР, РР, Е^егге, уничтожает искаженные кадры, поскольку переспрашивать кадры, содержащие трафик реального времени, не имеет смысла. В этих условиях функции обеспечения надежности и целостности доставки данных возлагаются на протоколы более высокого, прежде всего транспортного уровня системы. Функции канального уровня становятся более сложными, а их ролы в поддержке режима интеграции услуг (речи и данных) в системе связи возрастает по мере уменьшения пропускной способности доступных каналов связи и снижения их качества.

В статье рассматриваются основные принципы построения, методы организации и особенности реализации процедур протокола канального уровня, а также обсуждаются

экспериментальные результаты функционирования протокола при передаче в интегральном режиме данных и речевой информации в реальном масштабе времени (при скорости кодирования речевого сигнала 2,4 кбит/с) по каналам с пропускной способностью не ниже 4,8 кбит/с при рош <5-10-3...10-2.

Решение задачи, связанной с организацией интегрального информационного обмена в пакетной системе связи по низкоскоростным каналам невысокого качества, получено в результате комплексного использования разработанных методов и процедур специализированного стека сетевых протоколов (ССП). На канальном уровне ССП реализованы следующие процедуры, основной целью которых является обеспечение дифференцированной обработки кадров, содержащих речевую информацию, и кадров, содержащих дейтаграммы сетевого уровня, в которые инкапсулированы данные.

1. Один из основных принципов разработанного протокола заключается в использовании различных типов кадров канального уровня для передачи речи и данных. Структура кадров, применяемых на канальном уровне ССП, позволяет реализовать различные режимы передачи речи и данных в единой системе связи с коммутацией пакетов: данные передаются в дейтаграммном режиме без установления соединения; речь передается по предварительно установленному (коммутируемому) виртуальному каналу (Virtual Path, VP) в режиме с установлением логического соединения. Процедуры организации VP, доставки речевых кадров и дейтаграмм, адресации и маршрутизации относятся к протоколам высших уровней ССП, начиная с сетевого.

Тип принимаемого кадра на канальном уровне определяется преамбулой кадра, следующей непосредственно за разделительным флагом, которая имеет постоянную длину и фиксированную структуру полей. Длина преамбулы должна быть минимальной, чтобы сократить время идентификации типа кадра. В ССП длина преамбулы составляет 24 бита, из которых 12 бит используется процедурами протокола, а оставшиеся 12 бит содержат комбинацию кода, исправляющего ошибки в преамбуле. После приема и обработки преамбулы определяется тип кадра, а также его длина (если в кадре передаются данные) или метка (идентификатор), используемый процедурами продвижения речевого кадра по VP Для правильного приема преамбулы определяющее значение имеет корректное определение ее начала в цифровой последователь-

ности, поступающей из канала связи с ошибками.

2. Определение границ принимаемого кадра (в том числе выделение его преамбулы) на канальном уровне производится по двум критериям: по обнаружению разделительного флага и по известной длине предшествующего кадра в случае его безошибочного приема.

Использование известной комбинации разделительного флага 0х7Е на канале связи с рош < 5 • 10-3 приводит к значительным потерям принимаемых кадров из-за большой вероятности искажения разделительных флагов и ошибок в процедуре бит-стаффинга. Поэтому в ССП на канальном уровне применяется новая комбинация разделительного флага: 0х7РРЕ, использование которой снижает количество потерянных кадров по причине искажения флага.

3. Использование системы приоритетов на канальном уровне позволяет уменьшить задержки доставки речевых кадров. В ССП применяется 8-ми уровневая система абсолютных и относительных приоритетов, причем кадрам речевого трафика присваивается высший абсолютный приоритет. Как показали проведенные эксперименты, применение на портах маршрутизатора, подключенных к низкоскоростным каналам, различных модификаций "справедливых" (Fair Queuing, FQ) и "взвешенных" (Weighted Fair Queuing, WFQ) очередей [7] не является рациональным, поскольку в этом случае резко увеличиваются как задержка, так и джиттер задержки речевого трафика.

Следует отметить, что, обладая высшим абсолютным приоритетом, речевые кадры будут прерывать передачу кадров других типов, поэтому начало преамбулы речевого кадра может быть определено только по разделительному флагу. При этом блокировки передачи данных не происходит за счет применения механизма "подавления пауз" в речевом сигнале (Voice Activity Detection, VAD), который при статистическом мультиплексировании разнородного трафика освобождает для данных около 60% номинальной пропускной способности канала [6].

4. Исключение протокольных механизмов, срабатывающих по таймеру, позволяет отказаться от достаточно ответственных настроек протокольных таймеров на каналах, различающихся средой передачи сигнала и типом аппаратуры каналообразования, а также от адаптации таймеров к различному времени распространения сигнала в канале связи и пропускной способности канала. В протоколе канального уровня ССП задача

решается с помощью синхронизации процессов на приеме и передаче кадров путем их привязки к текущим номерам формируемых кадров, что с одной стороны обеспечивает независимость исполнения процедур протокола от времени распространения сигнала в канале, а с другой — позволяет сохранить последовательность передаваемых кадров на приеме. Последнее свойство является определяющим для корректной работы процедур защиты информации.

5. Выбор метода помехоустойчивого кодирования, применяемого для исправления ошибок в принятых кадрах, после их передачи по каналу связи проводился в соответствии со следующими критериями:

• применяемый метод должен быть ориентирован на защиту от ошибок последовательности небольшого размера, чтобы свести к минимуму размер преамбулы кадра и повысить вероятность ее правильного приема, а также располагать рациональными техническими возможностями для защиты сравнительно длинных информационных кадров, сохраняя при обработке информации байтовую структуру информационного потока;

• метод должен обеспечивать исправление максимального количества ошибок в информационной последовательности при добавлении приемлемого объема служебной информации;

• реализация метода не должна требовать больших объемов памяти и вычислительной мощности и не приводить к значительным дополнительным задержкам при информационном обмене, в том числе из-за накопления значительного объема информации при декодировании.

В ССП в качестве базового метода защиты от ошибок, проверочные символы которого интегрированы в структуру кадров канального уровня, применяется расширенный код Голея [28,12,8], отличающийся оперативностью реализации при приемлемых объемах требуемой памяти. Выбранный метод помехоустойчивого кодирования позволяет достаточно эффективно защищать информационные последовательности различного размера и, тем самым, дифференцированно обеспечивать защиту от ошибок различных полей кадров. Например, следуя принципам иРР-1Ле [8], поле речевого кадра, содержащее речевые фреймы кодека, не защищается от ошибок, что позволило снизить требования к пропускной способности канала связи без существенных потерь качества восстановленной речи.

6. В рамках единого протокола канального

уровня ССП реализованы процедуры дифференцированной обработки кадров различных типов, предусматривающие переспрос искаженных кадров, содержащих данные, и уничтожение искаженных речевых кадров, если на приеме обнаружено нарушение целостности их служебных полей. Тем самым достигается необходимая достоверность доставки данных одновременно с минимальными задержками передачи трафика реального времени.

7. Процедуры канального уровня ССП также задействованы в реализации методов QoS и применяются при доставке речевых кадров по виртуальному логическому соединению, которое осуществляется на принципах, имеющих общую основу с принципами использования идентификаторов DLCI в технологии FR, меток в MPLS, или технологии коммутации третьего уровня с использованием кэша потоков, исключающей фазу маршрутизации сетевого уровня [9].

Экспериментальная проверка функциональности предложенных методов и работоспособности разработанных процедур, заложенных в новый стек протоколов ССП, проводилась на комплексном стенде интегральной системы связи, в состав которого входят 10 маршрутизаторов (узлов связи), образующих транспортную сеть системы связи; 5 интегрированных абонентских терминалов для передачи речи и данных, а также два терминальных комплекса (основной и резервный) системы контроля и сетевого управления.

Эксперименты проводились в условиях, когда пропускные способности всех каналов связи транспортной сети и каналы доступа имели минимально допустимую для обеспечения защищенного режима с интеграцией услуг пропускную способность, равную 4,25 кбит/с при двух вариантах реализации модели независимых ошибок в канале связи. При варианте №1 закон распределения интервалов между искаженными символами являлся равномерным на интервале [1, 2 • рош1 ]; при варианте №2 длина

интервалов между ошибками на том же интервале подчинялась нормальному закону распределение с mx = po-J и Сх = mx/3. Допущение о нормальном законе распределения случайных параметров, характеризующих сеть связи, достаточно распространено и используется, в частности, авторами [10]. При реализации модели ошибок в соответствии с выбранным законом распределения использовалась методика [11].

Экспериментальные исследования количества потерянных речевых кадров в тракте (в

процентах), зафиксированных в течение ~3-х минутных телефонных разговорах, в зависимости от значения вероятности ошибок в канале связи, при различном количестве "плохих" каналов в тракте показали, что искажения речи, которые становятся заметны для абонента, начинают появляться при потерях ~1,4-1,7%. Результаты показали, что если в тракте передачи имеется один канал с ошибками, то абонент начинает ощущать искажения речи при рош ~7,5^ 10-3, если же в тракте присутствуют три "плохих" канала, то для субъективного восприятия речи без искажений значение рош в каждом из них не должно превышать ~2,5^ 10-3.

Потери, находящиеся в диапазоне 4,1-4,6%, соответствуют ситуации, при которой абонент слышит восстановленную речь с серьезными искажениями, что, тем не менее, делает речевой диалог вполне возможным. Данные условия будут созданы, если в тракте окажется только один "плохой" канал с рош~2,00 0-2, или если в каждом из трех каналов связи невысокого качества, входящих в тракт передачи, рош < ~7,2-10-3.

Аналогичные характеристики параметров качества предаваемой речи были получены при организации на стенде сеансов аудиоконференцсвязи.

Влияние "плохих" каналов транспортной системы со значениями рош до ~3-10-2 на длительность установления телефонного соединения или организацию сеанса аудиоконференцсвязи практически незаметно, поскольку процедуры организации виртуального канала поддерживаются процедурами доставки данных, специально ориентированных на использование каналов со значительными ошибками. Передача данных (в том числе служебных дейтаграмм с командами сигнализации) по каналам с рош~3-10-2 (что для речи является уже критической величиной) не вызывает ни массовых переспросов кадров на канальном уровне, ни, тем более, перезапусков канального уровня и поэтому не приводит к заметным дополнительным задержкам установления соединения.

Экспериментальные результаты измерений времени доставки данных при нормальном законе распределения интервалов между ошибками, подтвердили достаточно высокую эффективность функционирования процедур канального уровня, вплоть до значения рош = 5• 10-2, поскольку до этой границы испытания не выявили значительного увеличения времени доставки данных при различ-

ных объемах передаваемой информации и протяженности тракта.

Существенное увеличение времени доставки электронной корреспонденции происходит при рош > 6-10-2, достигая критических величин при значении рош~8,5-10-2, которое может считаться границей функционирования процедур ССП, поскольку в подобных условиях применяемый в ССП метод помехоустойчивого кодирования уже не справляется с очень большим количеством ошибок.

Заключение

В процедурах протокола канального уровня, входящего в состав специализированного стека протоколов, используемого для интегральной передачи разнородного трафика в пакетной системе связи по низкоскоростным каналам невысокого качества, целесообразно использовать новую комбинацию разделительного флага, обеспечивать выборочную защиту полей речевых кадров, а также проводить дифференцированную обработку кадров, содержащих различные виды информации. Экспериментальные исследования подтвердили эффективность предложенных методов канального уровня ССП и позволили определить границы их практического использования.

Литература

1. Нетес ВА Мультисервисные сети: сумма технологий // Электросвязь. — 2004. — № 9. — С. 20-23.

2. Протоколы информационно-вычислительных сетей: Справочник / Аничкин СА., Белов С.А., Бернштейн А.В. и др. / Под ред. Мизина И.А., Кулешова А.П. — М.: Радио и связь, 1990. — 504 с.

3. Мелентьев О.Г. Оценка эффективности систем передачи данных с гибридной обратной связью // Электросвязь.- 2005. — № 7. — С. 29-31.

4. Беребеня М.Ф., Семенов А.Ф., Толстой А.И. и др. Передача данных по протоколу Х.25: Учебное пособие. — М.: МИФИ, 1998. — 80 с.

5. Коган А.В. IP-телефония как наиболее перспективный метод передачи информации // Электросвязь. — 2000. — № 10. — C. 3-9.

6. Коган А.В. IP-телефония: соотношение цены и качества // Технологии и средства связи. — 2001. — № 6. — С. 62-65.

7. Кульгин М. Технология корпоративных сетей. Энциклопедия. — С-Пб.: Издательство "Питер", 1999. — 704 с.

8. Larzon, L.-A., et al. The UDP-Lite Protocol, Internet Draft, Internet Engineering Task Force, Dec.2002.

9. Хилл Б. Полный справочник по Cisco. — М.: Издательский дом "Вильямс", 2004. — 1088 с.

10. Буева МА, Дымарский Я.С. Оценка факторов, влияющих на функционирование сетей связи // Электросвязь. — 2007. — № 2. — с. 30-32.

11. Прицкер А. Введение в имитационное моделирование и язык СЛАМ II. — М.: Мир, 1987. — 646 с.