Способ скорейшего обнаружения момента возникновения перегрузки пуассоновского IP телетрафика
METHOD FOR EARLY DETECTION OF OCCURRENCE MOMENT OF POISSON'S TELETRAFFIC OVERLOAD

Изобретение относится к области управления потоком или управления перегрузкой каналов связи и может быть использовано для обеспечения требований качества обслуживания (QoS) при передаче пуассоновского телекоммуникационного IP трафика.
Способность данного технического решения работать со всеми типами пакетного трафика с интенсивностью поступления распределенной по закону Пуассона, независимо от используемой среды передачи, позволяет использовать его в любых пакетных IP системах передачи данных подчиняющихся закону Пуассона.
21 век является веком широкой информатизации всех сфер жизнедеятельности человека. Информация является достоянием всего человечества и новой производительной силой.
Основными устройствами, организующими маршрут, порядок отправки, приоритет IP пакетов и, следовательно, обеспечивающими выполнение требований к качеству обслуживания (QoS), являются коммутаторы и маршрутизаторы.
Используемые в настоящее время в телекоммуникационном оборудовании, методы обеспечения качества обслуживания, достаточно эффективно борются с перегрузками в рамках имеющихся ресурсов, но обладают одним серьезным недостатком, заключающимся в отсутствии эффективных способов скорейшего обнаружения момента возникновения перегрузки узлового оборудования.
О перегрузке зачастую становится известно лишь по косвенным признакам.
Способы, описанные в RU 2510143, RU 2543996, RU 2660598, для обнаружения факта перегрузки используют информацию о превышении установленного порога величины задержки, количестве потерянных из-за отказа в обслуживании или превышении времени жизни пакетов, уровня заполненности буферов, числа активных пользователей или совокупности этих признаков.
Эти признаки имеют место быть, когда перегрузка уже оказала негативное воздействие или произошел всплеск нагрузки, который может быть сглажен. О скорейшем обнаружении здесь говорить не приходится, даже если используются высокоскоростные линии обратной связи.
Так как от задержки реакции на перегрузку напрямую зависит эффективность работы методов QoS (Quality of Service), то проявляется объективная необходимость использования при обеспечении качества обслуживания технических решений способных скорейшим образом обнаруживать момент возникновения перегрузки.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа является способ описанный в Столингс В. Современные компьютерные сети. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2003.
Сущность данного способа заключается в том, что в пакетной телекоммуникационной сети проводят отбрасывание пакетов даже при наличии свободного места в очереди, при этом в качестве уровня перегрузки используют взвешенное значения длины очереди полученное методом произвольного раннего обнаружения RED (Random Early Detection).
Для этого:
1. Вычисляют средний размер очереди по формуле:
nped
mek
где: n - экспоненциальный весовой коэффициент очереди; L - средний размер очереди на предыдущем шаге; L - текущий размер очереди.
2. Представляют вероятность отбрасывания пакетов функцией вида
или
omk
max
min
где: P - вероятность отказа в обслуживании согласно требованиям к QoS, L - максимальный порог среднего размера очереди, L - минимальный порог среднего размера очереди, count - счетчик пакетов.
min
max
max
min
3. Отбрасывают пакеты на участках: [L; L] - происходит постепенное нарастание вероятности отбрасывания пакетов (прямолинейно или экспоненциально); (L; ∞) - отбрасывание всех пришедших пакетов. При [0; L) отбрасывание пакетов не проводят.
Способ прототип имеет следующие недостатки.
1. Реагирует только на длительную перегрузку без учета моментальных всплесков телекоммуникационного трафика изменяющих вид закона распределения входного потока.
2. Не учитывает параметры закона распределения вероятностей входного потока пакетов.
3. Не обнаруживает скорейшим образом момент изменения параметра закона распределения Пуассона.
Задача, которую решает предлагаемый способ, заключается в повышении качества обслуживания телекоммуникационного трафика посредством скорейшего обнаружения перегрузки с использованием математического аппарата теории скорейшего обнаружения.
Технический результат заключается в скорейшем обнаружении момента возникновения перегрузки пуассоновского IP телетрафика для повышения качества обслуживания телекоммуникационного трафика.
Для решения этой задачи предлагается способ скорейшего обнаружения момента возникновения перегрузки пуассоновского IP телетрафика, заключающийся в том, что:
1. С интерфейса оператора 8 вводят в блок принятия решения о перегрузке 7 вероятность ложной тревоги.
2. К одному из выходов маршрутизатора 3 подключают сниффер 4.
i
3. Сниффер 4, являющийся компьютером с установленным на нем специальным программным обеспечением, собирает данные о входном трафике 1 маршрутизатора 3 (время прихода пакета, размер пакета), для каждой очереди. При этом в соответствии с классической моделью описания поступления трафика, при каждом измерении в течение Т секунд, анализатор нагрузки (сниффер) выдает случайные числа N, i=1, 2, … объема трафика (количества пакетов), распределенные по закону Пуассона
i
i
0
i
0
1
1
0
где λ есть нагрузка (интенсивность) трафика в i-ом измерении. Безопасный уровень нагрузки имеет место, если λ=λ. После появления в неизвестный момент времени θ нежелательных событий, величины λ изменяются от λ до λ, λ>λ.
i
Отсчеты пуассоновского процесса N, i=1, 2, … на непересекающихся интервалах статистически независимы.
4. Данные о входном трафике со сниффера 4 передают на блок скорейшего обнаружения момента перегрузки 5. Функционал данного блока обеспечивают специализированным программным обеспечением, реализующим когнитивный метод скорейшего обнаружения момента внезапного возникновения перегрузки.
Скорейшее обнаружение изменения параметра интенсивности входного потока пакетов λ, распределения закона Пуассона, производят следующим образом.
Для вычисления эффективности статистической процедуры в задаче последовательного обнаружения момента изменения вводят два критерия (показателя): ложная тревога в контролируемом состоянии и задержка обнаружения в неконтролируемом состоянии. Критерий ложной тревоги определяют как  который также называют среднее время до подачи ложной тревоги при подконтрольном состоянии. Здесь момент изменения θ=∞ означает, что изменения нет.
Скорейшее обнаружение производят последовательным различением простой нулевой гипотезы
∞
i
∞
H : N ∝ P (⋅) для всех i≥1 (т.е. нет изменения),
относительно сложной альтернативной гипотезы
для некоторого неизвестного θ=1, 2, 3, ….
0
∞
В задаче различения двух гипотез (H и Н) применяют отношение правдоподобия
Так как отношение правдоподобия (5) не может быть вычислено, поскольку числовой неслучайный параметр θ здесь не известен, применяют статистику
Вычисление точной верхней грани обобщенного отношения правдоподобия (6) сводят к нахождению максимального члена в конечном множестве значений отношений правдоподобия
5. Производят зацикливание функционирования блоков 3, 4 и 5 до момента обнаружения изменений параметра закона распределения Пуассона.
m
m
0
∞
6. Полученные с блока 5 значения θ и L передают в блок принятия решения о перегрузке 7. Если L≥h, то принимается решение в пользу гипотезы H (в противном случае Н), где h - пороговое значение, устанавливаемое потребителем.
7. Передают информацию о возникновении перегрузки в блок обеспечения качества обслуживания 6. Данный блок содержит набор механизмов доступных маршрутизатору для борьбы с перегрузками.
8. Блок обеспечения качества обслуживания 6 формирует управляющие воздействия в соответствии с алгоритмами обеспечения QoS и передает их на узел коммутации 3 для корректировки его работы и отправки сообщений другим узлам через линии обратной связи совместно с выходным трафиком 2.
«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием возможности реализовать его на штатных ЭВМ, путем установки дополнительного программного обеспечения и соединения их по технологии Ethernet с маршрутизатором узла.
Сопоставление заявленного способа скорейшего обнаружения момента возникновения перегрузки пуассоновского IP телетрафика с прототипом показывает, что заявленный способ существенно отличается от прототипа.
Общие признаки заявляемого способа и прототипа:
1. Информацию о перегрузке используют стандартные механизмы борьбы с перегрузками (профилирование и формирование потока).
2. Получают текущие характеристики входного телекоммуникационного трафика и параметры узла коммутации.
Отличительные признаки предлагаемого решения.
1. Используют метод обнаружения перегрузки основанный на скорейшем обнаружении момента изменения параметра пуассоновского закона распределения вероятностей.
Графические материалы, используемые для иллюстрации предлагаемого решения:
Фиг. 1 - функциональная схема способа скорейшего обнаружения момента возникновения перегрузки пуассоновского IP телетрафика.
Для экспериментальной проверки работоспособности был взят маршрутизатор Dionis-TS/FW. В нем были сконфигурированы 3 приоритетные очереди типа FIFO с ограниченным объемом буфера.
С использованием специального программного обеспечения был сгенерирован телекоммуникационный трафик с параметрами закона распределения объема данных из таблицы 1.
Перегрузка имитировалась случайными всплесками нагрузки.
В таблице 2 представлены результаты экспериментального исследования разработанного способа в сравнении со способом прототипом.