УСТРОЙСТВО ВЫЧИСЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО РАЗМЕРА ПАКЕТА ПО КРИТЕРИЮ МИНИМУМА ОБЩЕГО ВРЕМЕНИ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЯ

Полезная модель относится к области техники связи и может быть использована для вычисления оптимального размера пакета по критерию минимума общего времени передачи сообщения при фиксированном минимальном уровне заполнения буфера в системах связи с постоянными скоростями передачи.
В явном виде данное устройство имеет мало аналогов и в большинстве случаев входит в состав более крупных технических решений в виде отдельного блока, который часто называют пакетировщиком или формирователем пакетов, причем порядок формирования пакетов не раскрывается.
Известны устройства [1, 2], содержащие в своем составе элементы близкие по предназначению предлагаемого устройства. Входящие в состав устройств [1, 2] в качестве отдельных блоков элементы в основном нацелены на оптимизацию параметров сети связи за счет изменения маршрута или пропускной способности.
Известно устройство [1], в котором реализован способ управления полосой пропускания, основанный на использовании формирования трафика на уровне устройства, расположенного между сервером адаптивной потоковой передачи и клиентскими устройствами адаптивной потоковой передачи. В данном устройстве администрирование полосы пропускания позволяет выбирать оптимальное соотношение между числом возможных параллельных услуг и воспринимаемым QoF каждой услуги.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления размером пакета при передаче данных в пределах установленного соединения потоковой передачи мультимедийного трафика и выбора его оптимального значения для обеспечения минимизации времени передачи сообщения (файла) фиксированного размера.
В устройстве [2] производят оптимизацию транспортной сети связи за счет использования модуля сбора/вывода параметров, выполненного с возможностью получения информации от сети оператора связи, как минимум среднего времени задержки и коэффициентов готовности линий связи, информации от сети доступа, как минимум среднего размера протокольных блоков данных и интенсивности поступления протокольных блоков данных, требований к качеству обслуживания, информации о сетевых элементах транспортной сети связи, передачи сетевым элементам таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом, модуля нахождения связных структур, выполненного с возможностью нахождения связных структур транспортной сети связи по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур и по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур, модуля структурной оптимизации, выполненного с возможностью вычисления оптимальной логической структуры транспортной сети связи, с использованием информации от сети оператора связи, как минимум среднего времени задержки и коэффициентов готовностей линий связи, информации о сетевых элементах транспортной сети связи, информации о найденных связных структурах по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур, модуля параметрической оптимизации, выполненного с возможностью вычисления оптимального распределения пропускной способности логических каналов транспортной сети связи, с использованием информации от сети доступа, как минимум среднего размера протокольных блоков данных и интенсивности поступления протокольных блоков данных, требований к качеству обслуживания, модуля содержания, выполненного с возможностью заполнения таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом транспортной сети связи и передачи данных таблиц в модуль сбора/вывода параметров, причем первый выход модуля сбора/вывода параметров соединен с первым входом модуля нахождения связных структур, второй выход модуля сбора/вывода параметров соединен с первым входом модуля структурной оптимизации, третий выход модуля сбора/вывода параметров соединен с первым входом модуля параметрической оптимизации, первый выход модуля нахождения связных структур соединен со вторым входом модуля структурной оптимизации, второй выход модуля нахождения связных структур соединен со вторым входом модуля параметрической оптимизации, третий выход модуля нахождения связных структур соединен с третьим входом модуля содержания, первый выход модуля структурной оптимизации соединен со вторым входом модуля нахождения связных структур, второй выход модуля структурной оптимизации соединен с первым входом модуля содержания, третий выход модуля структурной оптимизации соединен с третьим входом модуля параметрической оптимизации, первый выход модуля параметрической оптимизации соединен со вторым входом модуля содержания, первый выход модуля содержания соединен с первым входом модуля вывода параметров.
В данном устройстве-аналоге решается задача структурной и параметрической оптимизации транспортной сети связи, позволяющая повысить коэффициент использования суммарного канального ресурса транспортной сети связи и коэффициент готовности транспортной сети связи, за счет изменения маршрута и распределения пропускных способностей, но при этом размер пакета при пакетировании не оптимизируется.
Более близким аналогом является устройство [3] в котором производят преобразование транспортного потока MPEG в IP-пакеты для широковещания в WLAN, причем данное устройство содержит в свое м составе пакетировщик, но состав устройства пакетирования не раскрывается, а лишь оговорено, что формирование пакетов осуществляется в соответствии с некими межсетевыми протоколами и специфической для программ информации. Формирование пакетов, таким образом, не позволяет обеспечить скорейшую передачу видео или аудио потока фиксированного размера в системах, где используется предварительная буферизация с минимальным постоянным уровнем наполненности буфера.
Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является устройство [4] которое реализует подход изменяемых длин пакета для передач с высокой скоростью передачи пакетных данных.
Устройство [4] для передачи пакетов данных в сети доступа (AN), содержит узел управления скоростью передачи данных (DRC) для приема запросов скорости передачи данных от терминалов доступа, причем каждый запрос скорости передачи данных указывает, по меньшей мере, одну скорость передачи, которую терминал доступа запрашивает у устройства сети доступа для передачи данных терминалу доступа; узел выработки пакета физического уровня (PL), выполненный с возможностью приема запросов скорости передачи данных от DRC-узла на основании запросов скорости передачи, выбора, по меньшей мере, двух терминалов доступа для получения данных из многопользовательского PL-пакета, выбора длины из набора длин для многопользовательского PL-пакета, выбора скорости передачи из набора скоростей передачи для передачи многопользовательского PL-пакета и выработки многопользовательского PL-пакета выбранной длины; и передатчик для передачи многопользовательского PL-пакета терминалам доступа.
Недостатком данного технического решения является выбор размера пакета исходя из запрошенной скорости передачи, причем набор возможных размеров пакета соответствующий конкретной скорости передачи заранее определен.
Это не позволяет оптимально (по критерию минимума времени передачи) использовать это устройство в системах с постоянными скоростями входного потока при постоянной пакетной выходной скорости и минимальном уровне буфера, до заполнения которого передача не может быть начата.
Устройство [4] обладает следующими основными недостатками:
1. Не проводят оптимизацию размера пакета под конкретные параметры соединения и трафика по критерию минимума времени передачи сообщения (файла).
2. Не учитывают при выборе размера пакета размер передаваемого сообщения (файла).
3. Не учитывают задержку вносимую минимальным уровнем буфера.
В предлагаемой полезной модели устраняются отмеченные недостатки.
Цель (технический результат) полезной модели - создание устройства вычисления оптимального размера пакета для различных параметров используемого канала связи и передаваемого трафика по критерию минимального общего времени передачи сообщения (файла) заданного размера с учетом минимального уровня наполненности буфера.
Поставленная цель достигается тем, что данное устройство за счет применения блока ввода значения размера сообщения, блока ввода значения скорости потока, блока ввода значения минимального объема наполненности буфера, блока ввода значения пакетной скорости передачи, четырех блоков умножения, пяти блоков деления, блока вычисления квадратного корня, блока округления до ближайшего целого вверх, блока округления до ближайшего целого вниз, трех блоков сложения, блока вычисления минимума, блока ввода размера служебной части пакета, блока отображения результата, причем выход 1 блока 1 ввода значения размера сообщения соединен с входом 1 блока 5 умножения, выход 2 блока 1 ввода значения размера сообщения соединен с входом 1 блока 9 деления, выход 1 блока 2 ввода значения скорости потока соединен с входом 2 блока 5 умножения, выход 2 блока 2 ввода значения скорости потока соединен с входом 2 блока 10 деления, выход 1 блока 3 ввода значения минимального объема наполненности буфера соединен с входом 1 блока 6 умножения, выход 2 блока 3 ввода значения минимального объема наполненности буфера соединен с входом 1 блока 10 деления, выход 1 блока 4 ввода значения пакетной скорости передачи соединен с входом 2 блока 6 умножения и входом 2 блока 9 деления, выход 1 блока 5 умножения соединен с входом 1 блока 7 деления, выход 1 блока 6 умножения соединен с входом 2 блока 7 деления, выход 1 блока 7 деления соединен с входом 1 блока 8 вычисления квадратного корня, выход 1 блока 8 вычисления квадратного корня соединен с входом 1 блока 11 округления до ближайшего целого вверх, выход 2 блока 8 вычисления квадратного корня соединен с входом 1 блока 12 округления до ближайшего целого вниз, выход 1 блока 9 деления соединен с входом 2 блока 14 деления и входом 1 блока 15 деления, выход 1 блока 11 округления до ближайшего целого вверх соединен с входом 2 блока 13 умножения, выход 2 блока 11 округления до ближайшего целого вверх соединен с входом 1 блока 14 деления, выход 1 блока 12 округления до ближайшего целого вниз соединен с входом 2 блока 15 деления, выход 2 блока 12 округления до ближайшего целого вниз соединен с входом 1 блока 16 умножения, выход 1 блока 10 деления соединен с входом 2 блока 16 умножения и входом 1 блока 13 умножения, выход 1 блока 13 умножения соединен с входом 1 блока 17 сложения, выход 1 блока 14 деления соединен с входом 2 блока 17 сложения, выход 1 блока 15 деления соединен с входом 1 блока 18 сложения, выход 1 блока 16 умножения соединен с входом 2 блока 18 сложения, выход 1 блока 17 сложения соединен с входом 1 блока 19 вычисления минимума, выход 1 блока 18 сложения соединен с входом 2 блока 19 вычисления минимума, выход 1 блока 19 вычисления минимума соединен с входом 1 блока 21 сложения, выход блока 20 ввода размера служебной части пакета соединен с входом 2 блока 21 сложения, выход 1 блока 21 сложения соединен с входом блока 22 отображения результата.
Благодаря новой совокупности признаков за счет дополнительного введения четырех блоков умножения, пяти блоков деления, блока вычисления квадратного корня, блока округления до ближайшего целого вверх, блока округления до ближайшего целого вниз, трех блоков сложения, блока вычисления минимума и организации связей между ними, производят вычисление оптимального значения размера пакета при котором обеспечивается минимум времени передачи сообщения (файла) фиксированного размера.
Полезная модель может найти широкое применение в системах связи использующих механизмы синхронизации при шифровании или помехоустойчивом кодировании, а также при организации потоковой передачи данных с использованием сглаживающих буферов.
Использование предлагаемого устройства позволяет вычислять такой оптимальный размер пакета, при котором обеспечивается минимальное время передачи сообщения с учетом задержки на формирование пакета, задержки передачи всего набора пакетов составляющих сообщение (файл, фрагмент) и размера служебной части пакета.
Устройство реализует следующие теоретические положения.
В силу технических особенностей некоторые системы передачи данных обладают минимальным уровнем буфера, до заполнения которого передача не может быть начата. Необходимость использования такого подхода обусловлена наличием систем синхронизации при помехоустойчивом кодировании или шифровании.
Допустим, система связи, построенная по такому подходу, обладает возможностью выбора при передаче некоторого фиксированного размера пакета перед началом передачи. Очевидно, что для заполнения всего буфера при пакетах различной длинны будет требоваться различное время, так как скорость поступления потока в систему по условию задачи является постоянной.
При этом общее время передачи файла (сообщения) будет состоять из задержки заполнения буфера и из времени передачи всего набора пакетов составляющих передаваемый файл (сообщение).
При использовании таких систем возникает задача нахождения оптимального размера пакета, который бы обеспечивал минимальное время передачи файла (сообщения) заданного размера.
Таким образом, сформулированная оптимизационная задача может быть представлена следующим образом:
Дано
- размер передаваемого файла (сообщения) - общий размер полезной части), байт;
- размер служебной части пакета, байт;
- скорость поступления потока, байт/с;
- минимальный объем наполненности буфера, пакетов;
- пакетная скорость передачи данных, п/с;
Найти
- размер пакета, байт.
Необходимо найти такой размер пакета, при котором
Очевидно, что размер пакета должен иметь целое значение, а найденная величина будет принадлежать множеству положительных действительных чисел . Необходимо отметить, что в соответствии с действующими протоколами передачи данных, пакет, как правило, имеет обязательную служебную часть .
Таким образом, задача может быть переформулирована как нахождение
где  - округление до целого вниз,  - округление до целого вверх,  - функция обратная .
Решение:
Общее время передачи файла (сообщения) фиксированной длины, будет состоять из времени на передачу всех данных файла (сообщения) с установленной скорость и задержки , обусловленной постоянным отставанием, причинами которого являются минимальный размер наполненности буфера и пакетирование входного потока.
Задержка на формирование одного пакета без учета вычислительных издержек может быть определена как
Это время необходимо, чтобы насобирать данных на один полный пакет.
С учетом минимальной наполненности буфера  задержка ожидания в буфере будет определяться как
Время передачи фиксированного файла (сообщения)  (полезная часть), с заданными размером пакета и скоростью передачи, можно определить в соответствии с выражением
Исходя из вышесказанного и выражений (4, 3) общее время передачи файла (сообщения) , может быть определено из выражения
То есть время передачи состоит из задержки ожидания формирования полной очереди и собственно времени передачи файла (сообщения).
Таким образом, явный вид целевой функции таков
На фигуре 1 представлен вид целевой функции при следующих исходных данных
Анализ фигуры 1 позволяет предположить, что экстремум функции (6) существует. Для подтверждения существования экстремума найдем первую производную целевой функции (6)
Существование первой производной позволяет сделать вывод о дифференцируемости функции (6), а, следовательно, о ее  непрерывности. Таким образом, может существовать экстремум.
Для определения вида экстремума найдем вторую производную целевой функции (6)
Анализ выражения (8) и ограничений на значения параметров функции (6) позволяет сделать вывод, что вторая производная существует и является положительной. Следовательно, имеет место минимум функции в точке перегиба.
Для нахождения значения минимума найдем точку, в которой первая производная меняет свой знак, через решение уравнения
После элементарных преобразований решение примет вид
Так как по физическому смыслу задачи размер пакета всегда больше 0, то одно решение можно исключить, в результате получим
Подставляя (11) в (1) получим явный вид решения сформулированной оптимизационной задачи
Повторный анализ зависимостей на фигуре 1 позволяет сделать вывод, что оптимальным по сформулированному критерию будет решение, при котором обеспечивается равенство двух составляющих общего времени передачи  и . На фигуре 1 это точка пересечения графиков функций для задержки ожидания в очереди и времени передачи от размера полезной части.
В данном случае последовательность получения решения такова:
Выражения 10 и 14 полностью совпадают, что доказывает корректность вывода, сделанного при анализе зависимостей на фигуре 1. Таким образом, описанная выше последовательность элементарных математических преобразований, является более быстрым путем получения решения сформулированной оптимизационной задачи.
Знание явного вида обратной функции  для  не требуется. После вычисления минимума в (12) оптимальное решение легко может быть выбрано из двух полученных после округления значений размера полезной части пакета, как такое, при котором целевая функция имеет меньшее значение.
Устройство, реализующее указанные теоретические положения, представлено на фигуре 2.
Устройство вычисления оптимального размера пакета по критерию минимума общего времени передачи сообщения содержит: блок 1 ввода значения размера сообщения; блок 2 ввода значения скорости потока; блок 3 ввода значения минимального объема наполненности буфера; блок 4 ввода значения пакетной скорости передачи; блоки 5, 6, 13, 16 умножения; блоки 7, 9, 10, 14, 15 деления; блок 8 вычисления квадратного корня; блок 11 округления до ближайшего целого вверх; блок 12 округления до ближайшего целого вниз; блоки 17, 18, 21 сложения; блок 19 вычисления минимума; блок 20 ввода размера служебной части пакета; блок 22 отображения результата.
Функционирование устройства осуществляется следующим образом.
В блок 1 вводят значение размера передаваемого файла (сообщения).
В блок 2 вводят значение скорости входного потока.
В блок 3 вводят значение минимального объема наполненности буфера.
В блок 4 вводят значение пакетной скорости передачи.
На вход 1 блока 5 умножения с выхода 1 блока 1 ввода значения размера сообщения и на вход 2 блока 5 умножения с выхода 1 блока 2 ввода значения скорости потока поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 5 умножения формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 6 умножения с выхода 1 блока 3 ввода значения минимального уровня наполненности буфера и на вход 2 блока 6 умножения с выхода 1 блока 4 ввода значения пакетной скорости передачи поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 6 умножения формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 7 деления с выхода 1 блока 5 умножения и на вход 2 блока 7 деления с выхода 1 блока 6 умножения поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 7 деления формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 8 вычисления квадратного корня с выхода 1 блока 7 деления поступает сигнал эквивалентный , и на выходе 1 и 2 блока 8 вычисления квадратного корня формируются сигналы эквивалентные .
На вход 1 блока 9 деления с выхода 2 блока 1 ввода значения размера сообщения и на вход 2 блока 9 деления с выхода 1 блока 4 ввода значения пакетной скорости передачи поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 9 деления формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 10 деления с выхода 2 блока 3 ввода значения минимального уровня наполненности буфера и на вход 2 блока 10 деления с выхода 2 блока 2 ввода значения скорости потока поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 10 деления формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 11 округления до ближайшего целого вверх с выхода 1 блока 8 вычисления квадратного корня поступает сигнал эквивалентный , и на выходе 1 и 2 блока 11 округления до ближайшего целого вверх формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 12 округления до ближайшего целого вниз с выхода 2 блока 8 вычисления квадратного корня поступает сигнал эквивалентный , и на выходе 1 и 2 блока 12 округления до ближайшего целого вниз формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 13 умножения с выхода 1 блока 10 деления и на вход 2 блока 13 умножения с выхода 1 блока 11 округления до ближайшего целого вверх поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 13 умножения формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 14 деления с выхода 2 блока 11 округления до ближайшего целого вверх и на вход 2 блока 14 деления с выхода 1 блока 9 деления поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 14 деления формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 15 деления с выхода 1 блока 9 деления и на вход 2 блока 15 деления с выхода 1 блока 12 округления до ближайшего целого вниз поступают сигналы эквивалентные и  соответственно, и на выходе 1 блока 15 деления формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 16 умножения с выхода 2 блока 12 округления до ближайшего целого вниз и на вход 2 блока 16 умножения с выхода 1 блока 10 деления поступают сигналы эквивалентные и  соответственно, и на выходе 1 блока 16 умножения формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 17 сложения с выхода 1 блока 13 умножения и на вход 2 блока 17 сложения с выхода 1 блока 14 деления поступают сигналы эквивалентные и  соответственно, и на выходе 1 блока 17 сложения формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 18 сложения с выхода 1 блока 15 деления и на вход 2 блока 18 сложения с выхода 1 блока 16 умножения поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 18 сложения формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 19 вычисления минимума с выхода 1 блока 17 сложения и на вход 2 блока 19 вычисления минимума с выхода 1 блока 18 сложения поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 19 вычисления минимума формируется сигнал эквивалентный . То есть, производится вычисление такого значения аргумента, из двух полученных, который дает минимальное значение целевой функции общего времени передачи сообщения (файла).
В блок 20 вводят значение служебной части пакета.
На вход 1 блока 21 сложения с выхода 1 блока 19 вычисления минимума и на вход 2 блока 21 сложения с выхода блока 20 ввода размера служебной части пакета поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 21 сложения формируется сигнал эквивалентный .
На блок 22 отображения результата с выхода 1 блока 21 сложения подается сигнал эквивалентный  и производится его отображение на экране оператора.
Таким образом, использование предлагаемого устройства позволит вычислять такой оптимальный размер пакета, при котором обеспечивается минимальное время передачи сообщения с учетом задержки на формирование пакета, задержки передачи всего набора пакетов составляющих сообщение (файл, фрагмент) и размера служебной части пакета. Это может быть полезно как при проектировании новых систем связи, так и при оптимизации параметров функционирования уже существующих.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. RU 2604416, 2015.
2. RU 2680764, 2018.
3. RU 2370907, 2004.
4. RU 2341903, 2004.