СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЛИЯНИЯ САМОПОДОБНОСТИ В СЕТЕВЫХ СТРУКТУРАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF LOWERING SELF-SIMILARITY EFFECT IN NETWORK STRUCTURES AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Область, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области информационно-вычислительных сетей и может быть использовано при проектировании цифровых сетей интегрального обслуживания.
Уровень техники
Известны способы преобразования случайных процессов для повышения равномерности исходной величины (Крисилов В.А., Кондратюк А.В. Преобразование входных данных нейросети с целью улучшения их различимости. Одесский национальный политехнический университет, 2005 г. http:neuroschool.narod.ru).
Проблема решается с использованием одного из известных способов аппроксимации плотности вероятности по выделенным точкам, положение которых на временной оси формируется нахождением интервалов времени, длительности которых определяются величиной, пропорциональной соответствующим значениям плотности распределения. Параметры интервалов находятся эмпирически. Недостатком данного способа преобразования является невозможность осуществления в реальном масштабе времени с использованием автоматического режима определения необходимой длительности интервалов при произвольном распределении исходной величины, вследствие чего его использование в реальных телекоммуникационных системах не представляется возможным.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является «Способ гибридной коммутации цифровых каналов связи» (Фомин Л.А., Линец Г.И., Будко П.А., Зданевич С.Н., Павленко Н.А., Гахова Н.Н. Способ гибридной коммутации цифровых каналов связи. Патент №2195080, H04L 12/64, дата публикации 20.12.2002).
Сущность данного способа заключается в том, что в фазе установления соединения в результате диалога между центром коммутации и вызывающим абонентом определяется длина сообщения, которая сравнивается с некоторым пороговым значением, характерным для каждой конкретной сети.
Если длина сообщения превышает пороговое значение, то устанавливается физическое соединение и сообщение передается в режиме коммутации каналов. Если длина сообщения меньше порогового значения, то его запоминают, разбивают на пакеты, устанавливают виртуальное соединение и передают в режиме коммутации пакетов.
Структурная схема центра коммутации имеет модульную структуру и содержит модуль управления, модуль идентификации, модуль промежуточной памяти, модуль доступа абонентов, модуль сопряжения линий связи с центром коммутации, связанные общей шиной. При этом входящая линия через модуль доступа соединена с входом модуля идентификации, соединенного первым выходом с входом модуля промежуточной памяти, выход которого через модуль сопряжения соединен с исходящей линией коммутации пакетов, второй выход модуля идентификации через модуль сопряжения линий связи с центром коммутации соединен с исходящей линией коммутации каналов.
Все модули обмениваются информацией с модулем управления и между собой через общую шину.
Таким образом, уведомление каждого центра коммутации о длине подлежащего передаче сообщения в фазе установления соединения позволяет:
предотвратить коллизии в сети, связанные с переполнением буферной памяти узлов коммутации; повысить эффективность использования каналов связи за счет передачи длинных сообщений в реальном масштабе времени; уменьшить общее число отказов по причине отсутствия свободных буферов.
Недостатком данного технического решения является относительно низкая производительность сети в случае использования коммутации пакетов при обслуживании самоподобного трафика. Наличие самоподобности, которая возникает в процессе преобразования битового потока в поток пакетов в модуле промежуточной памяти, существенно снижает производительность сети. Это связано с ограниченностью имеющихся сетевых ресурсов, существенной неравномерностью поступающих пакетов, и, как следствие, - наличие высокой пачечности, сформированного для передачи трафика. Таким образом, самоподобие является неотъемлемым свойством пакетных сетей.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение производительности сети связи при обслуживании самоподобного трафика за счет увеличения эффективности использования ее ресурсов.
Технический результат
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого способа, заключается в повышении производительности сети связи при обслуживании самоподобного трафика путем увеличения эффективности использования ее ресурсов. Указанный технический результат достигается тем, что в фазе установления соединения между центром коммутации и вызывающим абонентом определяется длина сообщения, которая сравнивается с некоторым пороговым значением, устанавливаемым при проектировании сети. При этом если длина сообщения превышает пороговое значение, то устанавливается физическое соединение и сообщение передается в режиме коммутации каналов. Если длина сообщения меньше порогового значения, то сообщение запоминается, разбивается на пакеты и полученная последовательность пакетов подвергается функциональному преобразованию. Объектом преобразования является одномерная плотность распределения интервалов времени между пакетами. Используется свойство инвариантности дифференциала вероятности
1
2
1
2
где: τ - длительность интервалов времени между пакетами во входной последовательности; τ - длительность интервалов времени между пакетами в выходной последовательности; ƒ(τ) - плотность распределения вероятностей интервалов входной последовательности; g(τ) - плотность распределения вероятностей интервалов выходной последовательности.
2
1
2
Закон преобразования τ=φ(τ) - однозначная дифференцируемая функция, определяемая из решения дифференциального уравнения (1). Она обеспечивает получение импульсной последовательности g(τ), после чего пакеты выходного потока передаются по виртуальному каналу в режиме коммутации пакетов.
В пакетных сетях распределение длительности интервалов между пакетами при постоянной длине каждого пакета полностью описывает статистические свойства потока пакетов.
Технический результат устройства, осуществляющего способ снижения влияния самоподобности в сетевых структурах, заключается в том, что в устройство, содержащее модуль управления, модуль идентификации, модуль промежуточной памяти, модуль доступа абонентов, модуль сопряжения линий связи с центром коммутации, соединенные общей шиной, причем входящая линия соединена через модуль доступа абонентов с модулем идентификации, соединенного первым выходом через модуль сопряжения линий связи с центром коммутации с исходящей линией коммутации каналов, а вторым выходом подключен к входу модуля промежуточной памяти, первый выход которого соединен через модуль сопряжения линий связи с центром коммутации с первой исходящей линией коммутации пакетов, введен модуль функциональных преобразований, соединенный входом с вторым выходом блока промежуточной памяти. При этом выход модуля функциональных преобразований через модуль сопряжения линий связи с центром коммутации соединен с второй исходящей линией коммутации пакетов.
Модуль функциональных преобразований содержит блок управления, первое и второе оперативные запоминающие устройства, связанные по шинам записи и считывания с блоком управления, входной и выходной коммутаторы, соединенные с вторым выходом модуля промежуточной памяти непосредственно, и через модуль сопряжения линий связи с центром коммутации соединен с второй исходящей линией коммутации пакетов, соответственно, таймер, выход которого соединен с управляющим входом входного коммутатора и одним управляющим входом блока управления непосредственно и с управляющим входом выходного коммутатора и другим входом блока управления через инвертор, исполнительные выходы входного коммутатора подсоединены к входам первого и второго оперативного запоминающего устройства, а исполнительные входы выходного коммутатора подключены к выходам первого и второго оперативного запоминающего устройства соответственно. При этом информационный вход блока управления соединен с выходом вычислительного устройства.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана структурная схема устройства снижения влияния самоподобности в сетевых структурах (центр коммутации).
На фиг.2 приведена структурная схема модуля функциональных преобразований.
На фиг.3 представлен пример исполнения структурной схемы модуля идентификации.
На фиг.4 представлено пояснение функционального преобразования самоподобного входного потока пакетов в выходной поток при аппаратной реализации вычислительного устройства.
На фиг.5 представлен пример преобразования равномерного и экспоненциального законов распределения в законы Парето и Вейбулла.
На фиг.6 представлена программа преобразования закона Парето в экспоненциальный закон в среде «Mathcad».
Осуществление изобретения
2
1
-1
Способ снижения влияния самоподобности в сетевых структурах, включающий фазу установления соединения с приемом информации о длине сообщения, при котором длину сообщения сравнивают с пороговым значением, устанавливаемым в процессе проектирования сети связи. При этом если длина сообщения превышает пороговое значение, то устанавливают физическое соединение и сообщение передают в режиме коммутации каналов. Если длина сообщения меньше порогового значения, то сообщение запоминают и разбивают на пакеты, отличающиеся тем, что полученную последовательность пакетов подвергают функциональному преобразованию. Объектом преобразования является одномерная плотность распределения интервалов времени между пакетами, при котором используют свойство инвариантности дифференциала вероятности (1), причем закон преобразования τ=φ(τ) - однозначная дифференцируемая функция, определяемая из решения уравнения (1) и допускающая обратное преобразование ψ=φ, после чего пакеты выходного потока передаются по виртуальному каналу в режиме коммутации пакетов.
С учетом этого обстоятельства связь между мгновенными значениями случайного процесса и интервалами времени между образованными таким образом пакетами преобразуется в следующий вид:
2
2
где G(τ) - функция распределения случайной величины τ.
Решение (2) в общем виде базируется на использовании формулы Ньютона-Лейбница
Таким образом, имеем:
откуда находим
2
Определим случайную величину τ:
-1
Учитывая, что ψ=φ, получим
(4) Величина α находится из условия нормировки
2
-1
Импульсный поток с интервалами между поступающими пакетами, распределенными по закону (3), может быть получен путем нелинейных преобразований случайной величины. То есть для генерации случайной величины с функцией распределения (2) необходимо построить детерминированную функцию τ=F(у) и получить искомые случайные числа как значения этой функции от аргумента, определяемого числом, являющимся случайной величиной с равномерным законом распределения на интервале (0, 1).
Таким образом, с учетом изложенного представим выражение (4) в виде
где rnd - случайная переменная, равномерно распределенная на интервале (0, 1).
Применяя функциональные преобразования, можно из исходной функции распределения интервалов времени между пакетами, описывающей поведение самоподобного процесса, получить процессы с заданными свойствами, например процесс, описываемый экспоненциальным законом распределения, для которого существуют методы расчета производительности сетей связи. Таким образом, способ снижения самоподобности в сетевых структурах в такой постановке может быть реализован программными методами.
Структурная схема устройства снижения влияния самоподобности в сетевых структурах представлена на фиг.1. Устройство содержит модуль управления 1, модуль идентификации 2, модуль промежуточной памяти 3, модуль доступа абонентов 4, модуль сопряжения линий связи с центром коммутации 5, соединенные общей шиной 6, причем входящая линия 7 соединена через модуль доступа абонентов 4 с входом модуля идентификации 2, соединенного первым выходом через модуль сопряжения линий связи с центром коммутации 5 с исходящей линией коммутации каналов 8, а вторым выходом подключен к входу модуля промежуточной памяти 3, первый выход которого соединен через модуль сопряжения линий связи с центром коммутации 5 с первой исходящей линией коммутации пакетов 9, модуль функциональных преобразований 10, соединенный входом с вторым выходом блока промежуточной памяти 3, причем выход модуля функциональных преобразований 10 через модуль сопряжения линий связи с центром коммутации 5 соединен с второй исходящей линией коммутации пакетов 11. Модуль функциональных преобразований 10 (фиг.2) содержит блок управления 12, первое 13 и второе 14 оперативные запоминающие устройства, связанные по шинам записи и считывания с блоком управления 12, входной 15 и выходной 16 коммутаторы, соединенные с вторым выходом модуля промежуточной памяти 3 непосредственно и через модуль сопряжения линий связи с центром коммутации 5 с второй исходящей линией коммутации пакетов 11 соответственно, таймер 17, выход которого соединен с управляющим входом входного коммутатора 15 и одним управляющим входом блока управления 12 непосредственно и с управляющим входом выходного коммутатора 16 и другим входом блока управления 12 через инвертор 18, исполнительные выходы входного коммутатора 15 подсоединены к входам первого 13 и второго 14 оперативного запоминающего устройства, а исполнительные входы выходного коммутатора 16 подключены к выходам первого 13 и второго 14 оперативного запоминающего устройства соответственно, при этом информационный вход блока управления 12 соединен с выходом вычислительного устройства 19, связанного с общей шиной 6.
Пример реализации модуля идентификации 2 представлен на фиг.3. Он содержит первый цифроаналоговый преобразователь 20, вход которого является входом модуля идентификации 2, а выход соединен с первым входом схемы сравнения 21, выход которой подключен к S-входу управляющего триггера 22, инверсный и прямой выходы которого соединены с первыми входами первого 23 и второго 24 элементов И соответственно, соединенных вторыми входами с входом блока идентификации 2, выходы первого 23 и второго 24 элементов И подключены к первому и второму выходам блока идентификации 2 соответственно, причем второй вход схемы сравнения 21 подключен к выходу суммирующего усилителя 25, один вход которого соединен с выходом второго цифроаналогового преобразователя 26 непосредственно, а другой вход - через дифференцирующий элемент 27, при этом вход цифроаналогового преобразователя 26 соединен с магистралью 6, a R-вход триггера 22 подключен к клемме «Сброс» 28.
Устройство снижения влияния самоподобности в сетевых структурах работает следующим образом. Модуль управления 1, получив информацию о длине сообщения, передает эту информацию в модуль идентификации 2, который принимает решение о передаче сообщения в зависимости от его длины в режиме коммутации каналов либо пакетов. Часть сообщений, в которых явно проявляются свойства самоподобия его структуры (определяемые по величине показателя Херста), направляются в модуль функциональных преобразований 10, где преобразуются в вычислительном устройстве 19 в соответствии с формулой (1) в последовательность пакетов с заданными свойствами. В модуле функциональных преобразований входная последовательность пакетов разбивается на два цикла с помощью входного коммутатора 15. Это создает возможность осуществлять раздельное управление четными и нечетными циклами в первом и втором оперативных запоминающих устройствах 13 и 14, регулируя процессы записи и считывания таким образом, чтобы не потерять информацию, после чего процесс объединяется в общий поток с помощью выходного коммутатора 16. Процессы записи и считывания определяет блок управления 12 поочередно. Когда, например, в первое оперативное запоминающее устройство 13 входная информация в течение цикла записывается, то из второго оперативного запоминающего устройства 14 она считывается и через выходной коммутатор 16 поступает на выход модуля функциональных преобразований и подается через модуль 5 на выход 11 устройства. Таймер 17 задает длину цикла, которая определяет объем памяти оперативных запоминающих устройств 13, 14 и зависит от параметров преобразуемого процесса. Инвертор 18 обеспечивает противофазную работу блоков 15, 16, а также процессов записи и считывания.
Примеры конкретного осуществления способа снижения влияния самоподобности в сетевых структурах
Пример 1. Программная реализация вычислительного устройства 19.
В модуле 10 условие (1) определяет равенство интегральных функций распределения исходного и конечного процессов
2
1
1
2
-1
откуда и находим заданный закон преобразования τ=φ(τ), в случаях, когда решение относительно одной из переменных определяется в явном виде. Это требование распространяется и на вторую переменную, так как должна существовать однозначная обратная функция τ=ψ(τ), где ψ=φ.
1
1
1
2
2
Рассмотрим преобразование, представляющее практический интерес. Пусть непрерывная случайная величина τ с функцией распределения F(τ) подвергается преобразованию τ=φ(τ) так, чтобы в результате преобразования получился закон распределения с равномерной плотностью вероятности случайной величины τ
По условию (6) получаем
Тогда искомая функция преобразования имеет вид
1
Действительно, для предельно возможных значений случайной величины - ∝<τ<∝ выполняется равенство
F(-∞)=0, F(+∞)=1.
Тогда по условию (2) все значения τ будут заключены в интервале [а, b]:
1
Дифференцируя (9) по τ, получаем
Подставив (11) в (10), получим
Следовательно, всякая непрерывная плотность вероятности может быть преобразована в равномерную. Полученный путем функционального преобразования произвольного закона распределения закон с равномерной плотностью является, по-видимому, наилучшим распределением, поскольку позволяет наиболее равномерно заполнить среду передачи пакетами. Однако ввиду отсутствия методик расчета сетей связи, находящихся под воздействием трафика, распределенного по закону с равномерной плотностью, заслуживает внимания вопрос о преобразовании произвольного закона распределения в пуассоновский (экспоненциальный характер распределения длительности интервалов между пакетами) закон, для которого такие методики существуют.
1
1
2
1
Пусть непрерывная случайная величина τ с плотностью распределения ƒ(τ) подвергается преобразованию τ=φ(τ). Необходимо выбрать функцию φ такую, чтобы в результате преобразования получился закон распределения
где τ - интервал между пакетами.
Согласно (2) функции распределения должны быть равны
2
Решая (13) относительно τ, получим  откуда
1
Дифференцируя (14) по τ, получим
Подставив (15) в (1) и учитывая (14), получаем конечную формулу (12), найденную в результате преобразования (2).
В качестве примера рассмотрим преобразование по формуле (6) двух исходных законов распределения: равномерного и экспоненциального (графа 1 фиг.5). Функциями преобразования в первом случае является обратная степенная функция, а во втором - степенная функция (графа 2 фиг.5). Выбор таких функций преобразования для указанных законов распределения продиктован возможностью получения плотности распределения длительности интервалов между пакетами в виде распределений с заведомо тяжелыми «хвостами»: Парето и Вейбулла (графа 3 фиг.5). Функции распределения вероятностей интервалов и интервалы между пакетами данных законов представлены соответственно в графах 4 и 5 фиг.5.
На фиг.6 приведена программа преобразования закона Парето в среде Mathcad, имеющего распределения длительности интервалов между пакетами с заведомо тяжелыми «хвостами» (показатель Херста Н=0,8 - наличие самоподобия), в экспоненциальное распределение (показатель Херста Н=0,5 - отсутствие самоподобия) в случае программной реализации блока 10. Блок А - Генератор случайных чисел; блок Б - Распределение Парето; блок В - Экспоненциальное распределение; блок Г - Оценка нормированного размаха: распределение Парето; блок Д - Оценка нормированного размаха: экспоненциальное распределение.
2
Информация τ(100) из вычислительного устройства 19, в качестве которого в данном случае используется персональный компьютер, может быть выведена через СОМ порт, или по стыку RS-232, или через порт USB.
Пример 2. Аппаратная реализация вычислительного устройства.
1
Случайная величина τ распределена по закону Вейбулла
2
2
2
1
Требуется: а) получить процесс, в котором интервалы времени между пакетами распределены по экспоненциальному закону G(τ)=1-ехр(-λτ); б) определить функцию преобразования τ=φ(τ).
Учитывая условие (6), получаем
2
1
2
Искомое преобразование иллюстрируется на фиг.4 для параметров α=β=λ=2, при котором τ=τ .
Это означает, что для осуществления подобного преобразования в качестве вычислительного устройства 19 можно использовать квадратичный детектор с коэффициентом передачи К=1.
Пример 3. Реализация модуля идентификации.
n
В примере реализации схемы блока идентификации, представленном на фиг.3, пороговое значение длительности сообщения L может быть рассчитано по формуле:
кр
з
где: L - критическая длина сообщения; m - общий объем памяти; - производная по времени от занятого объема памяти; m(t) - текущее значение занятого объема памяти; β - коэффициент пропорциональности.
n
n
В исходном состоянии устройство поддерживает режим коммутации пакетов. В дальнейшем если истинная длина сообщения, преобразованная в напряжение цифроаналоговым преобразователем 20, превысит порог U=αL (α - коэффициент передачи цифроаналогового преобразователя), то на выходе схемы сравнения 21 появится высокий потенциал, при котором триггер 22 перейдет во второе устойчивое состояние и на его прямом выходе появится высокий потенциал. Первый элемент И 23 закроется, а второй элемент И 24 откроется. Модуль идентификации 2 готов к передаче сообщения через модуль 5 в исходящую линию 8, обеспечивая режим коммутации каналов. После установления сквозного канала до адресата центр коммутации инициирует передачу сообщения. В противном случае, если соединение не установлено, абонент получает отказ.
Суммирующий усилитель 25 и дифференцирующее устройство 27 реализуют второй член в формуле (16), учитывающий динамику изменения объема буфера.
После передачи сообщения управляющий триггер 22 возвращается в исходное состояние, например, путем подачи сигнала «Сброс» на его R-вход из модуля управления 1 через клемму 28.
кр
з
кр
Таким образом, при длинных сообщениях и увеличивающемся трафике будет преобладать метод коммутации каналов, и, наоборот, если будут поступать короткие сообщения при сильно пульсирующем трафике, передачу сообщений целесообразно осуществлять с использованием метода коммутации пакетов. Использование того или иного режима определяется выбором величины L. Если число занятых буферов (m) и величина β могут контролироваться в пределах данного коммутационного узла или во всей сети в зависимости от принятого метода маршрутизации, то критическая длина сообщения (L) является проектным параметром и устанавливается на стадии проектирования конкретной сети.
Заключение
Как показывает опыт внедрения новой техники, традиционные методы расчета объема оборудования (емкости каналов связи и особенно емкости накопителей), основанные на Марковских моделях, приводят к значительной недооценке нагрузки и дают неоправданно оптимистические решения в тех случаях, когда входной трафик обладает долговременной зависимостью (свойством самоподобия). В последние годы появилось большое число публикаций, посвященных созданию математических моделей самоподобного трафика для анализа сетевой производительности при построении очередей в пакетных сетях связи. Однако заметных успехов в этом направлении не достигнуто. Предлагаемое изобретение направлено на то, чтобы в какой-то степени компенсировать этот пробел. Использование в качестве прототипа «Способа гибридной коммутации цифровых каналов связи» оправдано тем, что в данном способе значительная часть наиболее длинных сообщений отправляется в режиме коммутации каналов, при котором отсутствует самоподобность как свойство пакетных сетей. В большей части наиболее коротких сообщений, отправляемых в режиме коммутации пакетов, самоподобность проявляется недостаточно явно из-за малого времени наблюдения (интегрирования). Для таких сообщений модуль управления 1 может использовать метод гибридной коммутации в традиционном виде, направляя пакеты из модуля промежуточной памяти 3 в исходящую линию 9. Только ограниченная часть сообщений средней длины из модуля промежуточной памяти 3 поступает в модуль функциональных преобразований 10, где преобразуется в последовательность с заданным законом распределения интервалов времени между пакетами с ослабленными свойствами самоподобия. Это повышает эффективность использования сетевых ресурсов и увеличивает производительность сети связи.