Анализ статистических зависимостей характеристик качества речевой информации в трафике IP-сетей

УДК53.08

DOI: 10.30987/article 5d10852029ec46.45558801

К.А. Батенков, А.В. Королев, М.В. Илюшин, В.В. Новиков

АНАЛИЗ СТАТИСТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ХАРАКТЕРИСТИК КАЧЕСТВА РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ В ТРАФИКЕ №-СЕТЕЙ

Получен математический аппарат, позволяющий проводить точечное и интервальное оценивание отдельных составляющих качества передачи речевых сообщений, а также выносить решения относительно степени удовлетворенности пользователей предоставляемыми услугами. На основе измерений при помощи программы Wireshark и протокола TCP проведены исследования допусти-

мых областей вариации параметров качества восприятия речевых сообщений. Выявлена стохастическая связь между типовыми параметрами качества передачи путем построения графиков и гистограмм оценок взаимного влияния этих параметров.

Ключевые слова: пакетная коммутация, речевой трафик 1Р-сетей, качество обслуживания.

K.A. Batenkov, A.V. Korolyov, M.V. Ilyushin, V.V. Novikov

ANALYSIS OF STATISTICAL DEPENDENCES OF VOICE DATA QUALITY CHARACTERISTICS IN TRAFFIC OF IP-NETWORKS

The aim of the work is to investigate statistical characteristics of multimedia services traffic of IP-network on the basis of the service information analysis of package headings.

The investigation method is mathematical modeling in the Mathcad 14 environment. As a result of the investigations, a mathematical apparatus allowing the fulfillment of a point and interval assessment of separate constituents of voice messaging quality and also the decision-making regarding the satisfaction degree by users with the service offered. In the work on the basis of measurements with the aid of the Wireshark-

Введение

При совершенствовании сетей связи необходимо учитывать две противоречащие друг другу особенности: 1) создание сети в рамках существующего финансирования и ограниченных ресурсов; 2) обеспечение высокого качества обслуживания абонентов. Решение данной проблемы осложняется следующими факторами: субъективный характер оценок качества восприятия конечными пользователями, непредсказуемость колебаний параметров качества функционирования сети, чрезвычайно сложная взаимосвязь между показателями качества. Специфика сетей связи предполагает преимущественное использование речевого трафика. Поэтому необходимо учитывать проблемы, связанные с

program and the TCP protocol there are carried out the investigations of permissible fields in a quality parameter variation of voice message perception. A stochastic tie is revealed between transfer standard quality parameters by means of plotting diagrams and histograms of the assessments of these parameters mutual impact. The most significant indices of transfer quality parameters form the standpoint of their impact upon quality of voice message perception are RTT indices and loss factors.

Key words: packet switching, voice traffic of IP-networks, service quality.

нестабильной работой различных устройств сети.

В связи с этим предлагается создать аналитическую модель оценок качества восприятия речевых сообщений, учитывающих как стохастический характер функционирования сети, так и строго существующие взаимосвязи между параметрами качества. В результате исследований будет получен математический аппарат, позволяющий проводить точечное и интервальное оценивание отдельных составляющих качества передачи речевых сообщений, а также выносить решения относительно степени удовлетворенности пользователей предоставляемыми услугами.

Методология

Для создания математической модели используется программный продукт Mathcad 14. Он является высокоуровневым языком программирования, с помощью которого становится возможным анализ данных, разработка алгоритмов и создание различных моделей. Основными функциями, использованными в разработанной модели, являются submatrix, histogram, trim и match.

Существующие оценки качества восприятия базируются на коэффициенте оценки качества передачи (R-фактор). Используя определенную архитектуру мониторинга передачи речевого трафика, возможно оценить вероятные временные показатели качества функционирования сети [1]. В основу подобных измерений положены возможности существующих сниф-феров типа Wireshark, а также протокола передачи трафика RTCP.

Результаты измерений позволяют на основе детерминированных соотношений получить оценки качества восприятия.

Для исследования был выбран протокол TCP, который с помощью программного интерфейса Wireshark позволяет вычислить RTT и потери пакетов по служебной информации, передаваемой вместе с пакетом TCP.

Важной особенностью протокола TCP является возможность определения времени кругового пути. Время кругового пути (RTT) - это время, необходимое для отправки пакета, плюс время, необходимое для подтверждения принятия этого пакета. Следовательно, это время состоит из вре-

мени распространения пакета между двумя точками [2].

Значения RTT зависят от различных факторов:

1. Скорость передачи данных (интернет-соединения) источника.

2. Характер среды передачи.

3. Физическое расстояние между источником и получателем.

4. Число узлов между источником и получателем.

5. Объем трафика в локальной сети, к которой подключен конечный пользователь.

6. Число других запросов, обрабатываемых промежуточными узлами и удаленным сервером.

7. Скорость, с которой функционируют промежуточный узел и удаленный сервер.

8. Наличие помех в сети.

Начнем с определения RTT при помощи Wireshark. Для Ping и Traceroute измеряется время кругового прохождения между отправкой пакета Ping и получением пакета ICMP обратно. Для соединений TCP это измерение времени передачи пакета и получения подтверждения от целевого хоста.

При использовании Wireshark для захвата и анализа пакетов встроенный инструмент программы вычислит и отобразит RTT в данных о пакете, содержащем ACK. Данное значение отображается в последней строчке в подменю «SEQ/ACKanalysis» (рис. 1).

ш options:

Рис. 1. Информация о пакете, содержащем ACK

Выделим процесс ретрансляции в трафике, захваченном при помощи программы Wireshark (рис. 2).

* Time Protocol Length Info

1 О.OOOOOO TCP 66 53587 > http [SYN] seq=0 win=8192 Len=0 MS5=1460 WS=4 SACK_PERM=1

2 0.040617 TCP 66 http > 53587 [SYN, ACK] 5eq=0 Ack=l Win=4380 Len=0 MSS=1460 W5=l SACK_PERM=1

3 0.040650 TCP 54 53587 > http [ACK] Seq=l Ack=l Win=65700 Len=0

4 13.257396 http 1502 GET /technology/include/siteselectMenuoptions.jsp?_=1394665139857 http/1.1

5 13. 5 59467 HTTP

1502 [TCP Retransmission] GET technology/include/siteSelectMenuOptions.jsp?_=l394665139857 HTTP/1.1

6 13.629262 HTTP 1223 HTTP,-1.1 200 OK (text/ritril J

7 13.S2S4E1 TCP 54 53567 • http [ACK] seq=1449 Ack=1170 W"in=6452B Len=0

B 16.617392 TCP 60 http > 535S7 [FIN, ACK] 5eq=1170 Ack=1449 Win=5626 Len=0

9 IB.617450 TCP 54 53587 • http [ACK] Seq=1449 Ack=1171 W"in=6452B Len=0

10 19.002250 TCP 54 53557 > http [FIN, ACK] 5eq=1449 Ack=1171 win=64526 Len=0

11 19.092514 TCP 6D http > 535S7 [ACK] Seq=1171 Ack=1450 Win=5B26 Len=0

Рис. 2. Ретрансляция в захваченном трафике

Механизм ретрансляции протокола TCP гарантирует, что данные будут надежно переданы от начала до конца. Если в TCP-соединении будут повторные передачи, логично предположить, что потеря пакетов произошла в сети где-то между клиентом и сервером.

Существует способ быстрой идентификации повторных передач захваченного при помощи Wiresharkтрафикà.. Воспользуемся фильтром -tcp.analysis.retransmission.

Таким образом, получена возможность измерения RTT и потерь пакетов с помощью TCP-соединения и программы захвата пакетов Wireshark.

Для многократных измерений пакетов была использована консольная версия

программы Wireshark (Tshark). При захвате пакетов обрабатывалось TCP-соединение компьютера с сайтом www.youtube.com на протяжении длительного времени. Для имитации нагрузок на сеть и сбоев для подключения использовались прокси-серверы в различных регионах мира, чтобы выяснить влияние удаленности сетей хоста и сервера. Далее полученная статистика обрабатывалась при помощи специальных формул в программе Mathcad.

Откроем записанные в текстовом документе значения времени получения пакетов и соответствующие значенияКГГ в специальном файле Mathcad. Построим зависимость значений RTT от времени (рис. 3).

Рис. 3. График зависимости RTT от времени

Делаем вывод, что ЯТТ не имеет конкретного значения на всем интервале. Величина испытывает частое колебание зна-

чений [3]. Для большей наглядности построим такой же график на интервале от 0 до 5 секунд (рис. 4).

Рис. 4. График зависимости RTT от времени на интервале от 0 до 5 секунд

Полученный график в целом однородный; имеются небольшие отклонения от средних значений, которые очень немногочисленны и присутствуют в определенные моменты измерений.

По полученному ранее графику изобразим гистограмму с целью определения типа распределения значений RTT (рис. 5).

ixiü O.Oi

Рис. 5. Гистограмма значений RTT

По гистограмме видно, что распределение очень похоже на экспоненциальное распределение, прослеживаются четко выраженные пиковые значения [4].

Значение оценки MOS по пятибалльной шкале упрощенно можно представить как функцию от коэффициента оценки качества передачи:

1 при R < 0,

MOS = {1 + 0,35 R + R(R - 60)(100 - R) • 7 • 10-6при 0 <R< 100,

4,5 при R > 100.

На основании приведенных выше формул построим график зависимости оценки MOS от времени (рис. 6), взяв за основу кодек ИКМ. Значения оценки резко изменяются во времени. Установлено, что значения MOS колеблются от 4,409 до 1.

То есть в сети возникали случаи с очень низким качеством восприятия. Однако эти случаи редки, в целом качество сети было приемлемым для передачи трафика. По этому графику можно точно определить моменты возникновения перегрузок в сети.

Рис. 6. Значения MOS как функции от времени

Построим двумерную гистограмму зависимости MOS от усредненных значений RTT (рис. 7).

Рис. 7. Двумерная гистограмма зависимости MOS от усредненных

значений RTT

Имеются 2 характерные области. Первая - с большими значениями усредненных RTT и наименьшими значениями оценки MOS. Она характеризуется большими задержками передачи пакетов, качество восприятия неудовлетворительное. Это момент высокой загруженности сети. Однозначный вывод по параметру RTT делать нельзя ввиду наличия второй области - участка, где усредненные RTT также принимают большие значения, но оценка MOS колеблется от 2,512 до 4,409. Вторая об-

ласть характеризуется широким набором значений MOS и усредненных RTT. Наиболее частыми событиями являются периоды с малой задержкой и высокой оценкой MOS, что было теоретически ожидаемо. Однако имеется область с такой же высокой оценкой MOS, но достаточно высокими задержками в сети. Объяснить это можно отсутствием потерь и задержкой передачи информации в служебных заголовках пакетов TCP.

Выводы

Проанализированы зависимости между различными параметрами качества передачи путем построения двумерных гистограмм. Статистические зависимости потерь от других параметров имеют дискретный характер, остальные параметры распределены более равномерно. Определенным значениям одного параметра соответствуют значения другого параметра,

при этом линейной взаимосвязи не наблюдается.

В результате исследований получен математический аппарат, позволяющий проводить точечное и интервальное оценивание отдельных составляющих качества передачи речевых сообщений, а также выносить решения относительно степени удовлетворенности пользователей предоставляемыми услугами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И. Баскаков. - М.: Высш. шк., 2005. - С. 130-142.

2. Батенков, А.А. Алгоритм синтеза базиса орто-нормированных функций для многоканальной передачи данных / А.А. Батенков, Г.В. Богачев, К.А. Батенков // Цифровая обработка сигналов. -2007. - № 2. - С. 19-25.

3. Батенков, А.А. Дискретизация линейного канала связи с памятью и аддитивным белым гауссов-ским шумом численным методом / А.А. Батенков, К.А. Батенков // Математическое моделирование. - 2009. - Т. 1. - № 1. - С. 53-74.

4. Батенков, К.А. Границы вероятности символьной ошибки для канала связи с логнормальными замираниями при использовании предыскажений и помехоустойчивого кодирования / К.А. Батенков, В.В. Гусев, М.В. Илюшин, О.Н. Катков, А.А. Мельников, М.В. Стремоухов // Телекоммуникации. - 2018. - № 2. - С. 45-48.

5. Батенков, К.А. Синтез детерминированных нелинейных дискретных отображений непрерывных каналов связи / К.А. Батенков // Труды СПИИРАН. - 2016. - № 2 (45). - С. 75-101.

1. Baskakov, S.I. Radio-Engineering Circuits and Signals / S.I. Baskakov. - M.: Higher School, 2005.

- pp. 130-142.

2. Batenkov, A.A. Algorithm of orthonormalized function basis synthesis for data multichannel transmission / A.A. Batenkov, G.V. Bogachyov, K.A. Batenkov // Signal Digital Processing. -2007. - No.2 - pp. 19-25.

3. Batenkov, A.A. Discretization of linear communication channel with memory and additive white gauss noise by numerical method / A.A. Batenkov, K.A. Batenkov // Mathematical Modeling. - 2009.

- Vol.1. - No.1. - pp. 53-54.

4. Batenkov, K.A. Likelihood limits of symbol error for communication channel with lognormal fades at use of emphasis and antinoise coding / K.A. Baten-kov, V.V. Gusev, M.V. Ilyushin, O.N. Katkov, A.A. Melnikov, M.V. Stremoukhov // Telecommunications. - 2018. - No.2. - pp. 45-48.

5. Batenkov, K.A. Synthesis of deterministic nonlinear discrete representations of continuous communication channel / K.A. Batenkov // Proceedings SPIIRAS. - 2016. - 2016. - No.2 (45). - pp. 75101.

Сведения об авторах:

Батенков Кирилл Александрович, д.т.н., сотрудник Академии ФСО России, e-mail: pustur@yandex.ru.

Королев Александр Васильевич, к.т.н., доцент, сотрудник Академии ФСО России, e-mail: pustur@yandex.ru.

Batenkov Kirill Alexandrovich, Dr. Sc. Tech., Col-leagueof Academy of FSP, e-mail: pustur@yandex.ru. Korolyov Alexander Vasilievich, Can. Sc. Tech, Assistant Prof., Colleague of Academy of FSP, e-mail: pustur@yandex.ru.

Статья поступила в редакцию 15.05.19 Рецензент: д.т.н., профессор Академии ФСО России

Трегубов Р.Б.

Статья принята к публикации 27. 05. 19.

Илюшин Михаил Владимирович, к.т.н., сотрудник Академии ФСО России, е-mail: pustur@yandex.ru.

Новиков Владислав Владимирович, сотрудник Академии ФСО, е-mail :pustur@yandex. т.

Ilyushin Mikhail Vladimirovich, Can. Sc. Tech., Colleague of Academy of FSP, e-mail: pustur@yandex.ru.

Novikov Vladislav Vladimirovich, Member of the Academy of FPS, e-mail :pustur@yandex. ru.