СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТИ СВЯЗИ С КОММУТАЦИЕЙ ПАКЕТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING INDICATORS OF QUALITY OF COMMUNICATION FUNCTIONING WITH PACKET SWITCHING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемые технические решения объединены единым изобретательским замыслом и относятся к области телекоммуникационных сетей связи, в частности, к сетям связи с коммутацией пакетов.
Качество функционирования сети - способность сети или ее части (подсети) обеспечивать функции, относящиеся к связи между пользователями. Качество функционирования сети оценивается на концах (интерфейсах) части сети или подсети. Главным образом, качество функционирования сети задается на основе оценок технических параметров, описывающих качество функционирования требуемой части сети желаемым образом. Качество функционирования сети определяется независимо от качества функционирования конечных терминалов и действий пользователя [Rec. Е.800. Definitions of terms related to quality of service. - 2008-09. - Geneva: ITU-T, 2009. 30 p.].
Показатели качества функционирования сети или ее часть (подсеть) измеряются при помощи контрольных вызовов или путем мониторинга реального трафика (или комбинацией обоих способов) [ГОСТ Р 53632 - 2009, ГОСТ Р 56087.1 - 2014].
В методе наблюдения за реальным трафиком в точках измерения отсутствует возможность влиять на детали логических соединений, поэтому результаты измерения менее надежны. В методе контрольных вызовов тестовые запросы воспроизводимы и позволяют достаточно точно оценить измеряемые показатели качества [ГОСТ Р 53632 - 2009, ГОСТ Р 56087.1 - 2014].
Основная схема измерения для метода контрольных вызовов состоит из тестового компьютера и тестового сервера. Контрольные вызовы передаются на участке сети связи с коммутацией пакетов (СС с КП), обеспечивающем взаимодействие тестового компьютера и тестового сервера [ГОСТ Р 53632 - 2009].
На сегодняшний момент существуют два основных подхода к проведению измерений:
- DELT (Double-End Line Testing) - измерение параметров системы с двух концов;
- SELT (Single-End Line Testing) - измерение параметров системы с одного конца.
Метод DELT требует наличия на обоих концах логического соединения измерительных приборов. Необходимым условием для точной оценки показателей качества является синхронная работа измерительных приборов.
Метод SELT требует наличия лишь одного измерительного прибора на одном конце логического соединения. Важным преимуществом такого подхода измерения является отсутствие проблемы синхронизации измерительных приборов. [Степанов, С.Н. Основы телетрафика мультисервисных сетей связи / С.И. Степанов. - М.: Эко-Трендз, 2010. - 392 с].
Известны способы для измерения времени задержки на двухстороннее распространение для мультимедийных данных с переменной скоростью передачи битов в системе передачи мультимедийных данных с переменной скоростью передачи битов (патент РФ №2212119, патент РФ №2304364), включающие в себя этапы, на которых формируют уведомительные пакеты, передают уведомительные пакеты, получают уведомительные пакеты, измеряют мгновенное время задержки на двухстороннее распространение, вычисляют скользящее среднее времени задержки на двухстороннее распространение, вычисляют эффективную скорость передачи.
Известны устройства для измерения времени задержки на двухстороннее распространение для мультимедийных данных с переменной скоростью передачи битов (патент РФ №2212119, патент РФ №2304364). Известные аналоги содержат блоки формирования уведомительных пакетов, блоки отправки/приема уведомительных пакетов, выделенный канал в сети связи с коммутацией пакетов для обмена уведомительными пакетами, блок измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение, блок вычисления скользящего среднего времени задержки на двухстороннее распространение, блок оценки эффективной скорости передачи.
Общим недостатком аналогов является низкая точность оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение и оценки вероятности нормальной доставки уведомительных пакетов (протокольных блоков данных).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и выбранным в качестве прототипа является способ измерения времени задержки на двухстороннее распространение для трафика данных с переменной скоростью передачи битов (патент РФ №2589887 от 15.07.2014), заключающийся в том, что задают эффективную скорость передачи и средний размер пакетов случайного трафика данных, формируют случайный трафик данных на стороне отправителя в виде пакетов протокола ICMP, по случайному закону усеченного и смещенного геометрического распределения выбирают длину пакетов протокола ICMP, по случайному закону геометрического распределения выбирают допустимую задержку пакетов протокола ICMP, по случайному закону распределения Бернулли заполняют поля данных пакетов протокола ICMP, по случайному закону геометрического распределения выбирают интервалы времени между смежными пакетами протокола ICMP, передают случайный трафик данных на стороне отправителя через сеть связи с коммутацией пакетов, принимают случайный трафик данных на стороне получателя из сети связи с коммутацией пакетов, отправляют обратно случайный трафик данных на стороне получателя, передают случайный трафик данных на стороне получателя через сеть связи с коммутацией пакетов, принимают случайный трафик данных на стороне отправителя из сети связи с коммутацией пакетов, измеряют мгновенное время задержки на двухстороннее распространение, используя принятый случайный трафик данных, вычисляют скользящее среднее времени задержки на двухстороннее распространение, используя значение мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение, вычисляют эффективную скорость передачи, используя вычисленное значение скользящего среднего времени задержки на двухстороннее распространение.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является устройство измерения времени задержки на двухстороннее распространение для трафика данных с переменной скоростью передачи битов (патент РФ №2589887 от 15.07.2014), содержащее блок генератора случайного трафика данных для формирования случайной последовательности пакетов протокола ICMP на стороне отправителя с использованием эффективной скорости передачи и среднего размера пакетов случайного трафика данных, первый блок отправки/приема для передачи случайного трафика данных на стороне отправителя через сеть связи с коммутацией пакетов, приема случайного трафика данных на стороне отправителя из сети связи с коммутацией пакетов, второй блок отправки/приема для приема случайного трафика данных на стороне получателя из сети связи с коммутацией пакетов, отправки обратно случайного трафика данных на стороне получателя, передачи случайного трафика данных на стороне получателя через сеть связи с коммутацией пакетов, блок измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение для измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение с использованием принятого случайного трафика данных, блок вычисления скользящего среднего времени задержки на двухстороннее распространение для вычисления скользящего среднего времени задержки на двухстороннее распространение с использованием значения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение, блок оценки эффективной скорости передачи для вычисления эффективной скорости передачи с использованием вычисленного значения скользящего среднего времени задержки на двухстороннее распространение.
Однако способ-прототип и реализующее его устройство характеризуются низкой точностью оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение и оценки вероятности нормальной доставки ICMP пакетов (протокольных блоков данных) по причине реализации только точечных оценок данных величин.
Чтобы дать представление о точности и надежности оценки в математической статистике пользуются так называемыми доверительными интервалами и доверительными вероятностями [Вентцель Е.С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения / Е.С. Вентцель. - М.: НАУКА, 1969. - 317 с].
Задачей изобретения является разработка способа измерения показателей качества функционирования сети связи с коммутацией пакетов и устройства для его осуществления, позволяющих повысить точность оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение и оценки вероятности нормальной доставки протокольных блоков данных для самоподобного потока протокольных блоков данных (ПБД) за счет формирования самоподобного потока протокольных блоков данных и вычисления интервальных оценок первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение и вероятности нормальной доставки протокольных блоков данных.
В заявленном способе эта задача решается тем, что в способе измерения показателей качества функционирования сети связи с коммутацией пакетов, заключающемся в том, что задают исходные данные, определяющие характеристики случайного потока ПБД, формируют случайный поток ПБД на стороне отправителя в виде пакетов протокола ICMP, по случайному закону усеченного и смещенного геометрического распределения выбирают длину протокольных блоков данных, по случайному закону распределения Бернулли заполняют поля данных протокольных блоков данных, по случайному закону геометрического распределения выбирают допустимую задержку пакетов протокола ICMP, передают случайный поток протокольных блоков данных на стороне отправителя через сеть связи с коммутацией пакетов, принимают случайный поток протокольных блоков данных на стороне получателя из сети связи с коммутацией пакетов, отправляют обратно случайный поток протокольных блоков данных на стороне получателя, передают случайный поток протокольных блоков данных на стороне получателя через сеть связи с коммутацией пакетов, принимают случайный поток протокольных блоков данных на стороне отправителя из сети связи с коммутацией пакетов, измеряют мгновенное время задержки на двухстороннее распространение, используя принятый случайный поток протокольных блоков данных, отличающийся тем, что дополнительно задают минимальный размер протокольных блоков данных, максимальный размер протокольных блоков данных, число генерируемых протокольных блоков данных, интенсивность поступающей нагрузки от одного источника информации, максимальную скорость передачи протокольных блоков данных, минимальную скорость передачи протокольных блоков данных, математическое ожидание скорости передачи протокольных блоков данных, дисперсию скорости передачи протокольных блоков данных, число источников информации подключенных на передающей стороне, число источников информации подключенных на приемной стороне, допустимую вероятность потерь протокольных блоков данных по перегрузкам, показатель Херста, доверительную вероятность, допустимое количество ошибочно принятых бит в поле данных протокольных блоков данных, допустимую среднюю задержку на двухстороннее распространение для протокольных блоков данных, коэффициент загрузки логического канала, при формировании случайного потока протокольных блоков данных интервалы времени между смежными пакетами на стороне отправителя выбирают с учетом коэффициента загрузки логического канала связи: для коэффициента загрузки логического канала связи, лежащего в диапазоне [0; 0,5], с помощью обратной функции распределения Вейбулла, для коэффициента загрузки логического канала связи, лежащего в диапазоне (0,5; 1], с помощью обратной функции модифицированного распределения Парето, оценивают первый начальный момент времени задержки на двухстороннее распространение для протокольных блоков данных, используя измеренное значение мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение, оценивают второй начальный момент времени задержки на двухстороннее распространение для протокольных блоков данных, используя измеренное значение мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение, оценивают второй центральный момент времени задержки на двухстороннее распространение для протокольных блоков данных, используя оценки для первого и второго начальных моментов времени задержки на двухстороннее распространение, оценивают доверительный интервал первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение для протокольных блоков данных, используя оценки для первого начального и второго центрального моментов времени задержки на двухстороннее распространение, удаляют протокольные блоки данных, у которых число ошибочных бит в поле данных больше, чем допустимое количество, удаляют протокольные блоки данных, у которых мгновенное время задержки на двухстороннее распространение больше, чем допустимая задержка на двухстороннее распространение, измеряют число нормально доставленных протокольных блоков данных, оценивают вероятность нормальной доставки для протокольных блоков данных, доставленных своевременно и при соблюдении нормы степени соответствия, оценивают доверительный интервал вероятности нормальной доставки для протокольных блоков данных, доставленных своевременно и при соблюдении нормы степени соответствия.
Новая совокупность существенных признаков позволяет повысить точность оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение и оценки вероятности нормальной доставки протокольных блоков данных для самоподобного потока протокольных блоков данных за счет формирования самоподобного потока ПБД, вычисления интервальных оценок для первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение и вероятности нормальной доставки ПБД, а именно оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение для протокольных блоков данных, оценки второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение для протокольных блоков данных, оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение для протокольных блоков данных, оценки доверительного интервала первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение для протокольных блоков данных, удаления протокольных блоков данных, у которых число ошибочных бит в поле данных больше, чем допустимое количество, удаления протокольных блоков данных, у которых мгновенное время задержки на двухстороннее распространение больше, чем допустимая задержка на двухстороннее распространение, измерения числа нормально доставленных ПБД, оценки вероятности нормальной доставки для ПБД, доставленных своевременно и при соблюдении нормы степени соответствия, оценки доверительного интервала вероятности нормальной доставки для протокольных блоков данных, доставленных своевременно и при соблюдении нормы степени соответствия.
В заявленном устройстве задача изобретения решается тем, что в устройство измерения показателей качества функционирования сети связи с коммутацией пакетов, содержащее первый блок отправки/приема передачи случайного потока протокольных блоков данных на стороне отправителя через сеть связи с коммутацией пакетов, приема случайного потока протокольных блоков данных на стороне отправителя из сети связи с коммутацией пакетов, второй блок отправки/приема для приема случайного потока ПБД на стороне получателя из сети связи с коммутацией пакетов, отправки обратно случайного потока ПБД на стороне получателя, передачи случайного потока ПБД на стороне получателя через сеть связи с коммутацией пакетов, блок измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение для измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение с использованием принятого случайного потока ПБД, блок вычисления эффективной скорости передачи ПБД для вычисления эффективной скорости передачи ПБД с использованием интенсивности поступающей нагрузки от одного источника информации, минимальной и максимальной скорости передачи протокольных блоков данных, математического ожидания и дисперсии скорости передачи протокольных блоков данных, числа источников информации подключенных на передающей и приемной сторонах, допустимой вероятности потерь ПБД по перегрузкам, блок генератора случайного потока ПБД для формирования случайной последовательности ПБД протокола ICMP на стороне отправителя с использованием эффективной скорости передачи, минимального, максимального и среднего размеров протокольных блоков данных, числа генерируемых протокольных блоков данных, допустимой средней задержки на двухстороннее распространение протокольных блоков данных, показателя Херста, коэффициента загрузки логического канала, при этом блок вычисления эффективной скорости передачи соединен с блоком генератора случайного потока протокольных блоков данных, выход блока генератора случайного потока протокольных блоков данных соединен с первым входом первого блока отправки/приема, первый выход первого блока отправки/приема соединен со вторым блоком отправки/приема через сеть связи с коммутацией пакетов, второй выход первого блока отправки/приема соединен с первым входом блока измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение и с первым входом блока удаления протокольных блоков данных с ошибками, отличающийся тем, что дополнительно включены блок оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блок оценки второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блок оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блок оценки доверительного интервала первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блок удаления ПБД с ошибками, блок удаления протокольных блоков данных с недопустимой задержкой, блок измерения числа нормально доставленных ПБД, блок оценки вероятности нормальной доставки ПБД, блок оценки доверительного интервала вероятности нормальной доставки ПБД. При этом выход блока удаления ПБД с ошибками соединен с первым входом блока удаления ПБД с недопустимой задержкой, выход которого соединен с входом блока измерения нормально доставленных ПБД, выход блока измерения числа нормально доставленных ПБД соединен с входом блока оценки вероятности нормальной доставки ПБД, выход блока оценки вероятности нормальной доставки ПБД соединен с входом блока оценки доверительного интервала вероятности нормальной доставки ПБД, первый выход блока измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение соединен со вторым входом блока удаления протокольных блоков данных с недопустимой задержкой, второй выход блока измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение соединен с входом блока оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, третий выход блока измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение соединен с входом блока оценки второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, выход блока оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение соединен с первым входом блока оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение и с первым входом блока оценки доверительного интервала первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, выход блока оценки второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение соединен со вторым входом блока оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение, выход блока оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение соединен со вторым входом блока оценки доверительного интервала первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение.
Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет дополнительно введенных блока оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блока оценки второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блока оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блока оценки доверительного интервала первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блока удаления протокольных блоков данных с ошибками, блока удаления протокольных блоков данных с недопустимой задержкой, блока оценки вероятности нормальной доставки ПБД, блока измерения числа нормально доставленных ПБД, блока оценки доверительного интервала вероятности нормальной доставки ПБД реализовано вычисление интервальных оценок первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение и оценки вероятности нормальной доставки ПБД, что позволяет повысить точность оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение и оценки вероятности нормальной доставки ПБД для самоподобного потока ПБД.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленных способа и устройства измерения показателей качества функционирования сети связи с коммутацией пакетов, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявленные объекты изобретения поясняются чертежами, на которых:
на фиг. 1 - блок-схема способа измерения показателей качества функционирования сети связи с коммутацией пакетов;
на фиг. 2 - структурная схема устройства измерения показателей качества функционирования сети связи с коммутацией пакетов;
на фиг. 3 - структура основного и дополнительного заголовка протокольной управляющей информацией ICMP, основного заголовка протокольной управляющей информацией IP;
на фиг. 4 - результаты анализа статистического распределения для длительности интервалов времени между смежными ПБД;
на фиг. 5 - точечная и интервальная оценки вероятности нормальной доставки ПБД;
на фиг. 6 - точечная и интервальная оценки первого начального момента времени задержки;
на фиг. 7 - результаты имитационного моделирования.
Реализация заявленного способа заключается в следующем (фиг. 1).
1
2
,
ПБД
ош.бит
зад
загр
пот.ПБД.перегр
101 - Задают интенсивность поступающей нагрузки от одного источника трафика  (эрл), максимальную скорость передачи ПБД max[b(τ)] (бит/с), минимальную скорость передачи ПБД min[b(τ)] (бит/с), математическое ожидание скорости передачи ПБД М[b(τ)] (бит/с), дисперсию скорости передачи ПБД D[b(τ)] (бит/с), число источников информации (ИИ) подключенных к узлу доступа (УД) на передающей стороне N, число источников информации подключенных к УД на приемной стороне N, средний размер ПБД L (бит или байт), минимальный размер ПБД minL (бит или байт), максимальный размер ПБД maxL (бит или байт), допустимую вероятность потерь ПБД по перегрузкам Pпоказатель Херста Н, доверительную вероятность β число генерируемых ПБД N, допустимое количество ошибочно принятых бит в поле данных ПБД n (бит), среднюю допустимую задержку на двухстороннее распространение ПБД М[t]с, коэффициент загрузки логического канала k.
102 - Вычисляют эффективную скорость передачи, учитывая интенсивность поступающей нагрузки от одного ИИ, минимальную и максимальную скорости передачи ПБД, математическое ожидание и дисперсию скорости передачи ПБД, число ИИ подключенных к УД на передающей и приемной сторонах, допустимую вероятность потерь ПБД по перегрузкам, используя формулу
-1
где F - это обратная функция для функции распределения мгновенной скорости передачи ПБД b(t):
где
1,j
2,j
где a и a - параметры смещенного и масштабированного бета-распределения рассчитываются по формулам
103 - Формируют случайный поток ПБД на стороне отправителя в виде пакетов протокола ICMP, учитывая эффективную скорость передачи, минимальный, максимальный и средний размеры ПБД, число генерируемых ПБД, среднюю допустимую задержку на двухстороннее распространение ПБД, показатель Херста, коэффициент загрузки логического канала, при формировании случайного потока ПБД на стороне отправителя используют ПБД протокола ICMP.
При формировании случайного потока ПБД на стороне отправителя интервалы времени между смежными пакетами протокольных блоков данных выбирают с учетом коэффициента загрузки логического канала связи. Для коэффициента загрузки логического канала связи, лежащего в диапазоне [0; 0,5], используют обратную функцию распределения Вейбулла
где γ=2×(1-Н) - первый параметр распределения Вейбулла;
2
R - случайное число, равномерно распределенное на интервале [0, l];
λ - второй параметр распределения Вейбулла, который можно найти с помощью выражения
Для коэффициента загрузки логического канала связи, лежащего в диапазоне (0,5; 1], используют обратную функцию модифицированного распределения Парето
где λ=(3-2⋅Н) - первый параметр сглаженного распределения Парето;
А - второй параметр сглаженного распределения Парето, который можно найти с помощью выражения
Выбирают случайную длину поля данных ПБД протокола ICMP (фиг. 3) с помощью обратной функции усеченного и смещенного геометрического распределения
1
где R - случайное число, равномерно распределенное на интервале [0, 1];
1
р - параметр усеченного и смещенного геометрического распределения, который можно найти, решив уравнение
С помощью обратной функции распределения Бернулли
3
где R - случайное число, равномерно распределенное на интервале [0, 1];
3
р=0,5 - параметр распределения Бернулли,
заполняют поле данных ПБД протокола ICMP.
104 - Передают случайный поток ПБД на стороне отправителя через СС с КП.
105 - Принимают случайный поток ПБД на стороне получателя из СС с КП.
106 - Отправляют обратно случайный поток ПБД на стороне получателя. Под действием "отправляют обратно случайный поток ПБД" понимается то, что получатель изменяет поле "тип" ("эхо-запрос" на "эхо-ответ") в основном заголовке ICMP (фиг. 3), а также меняет "IP-адрес отправителя" и "IP-адрес получателя" местами (фиг. 3).
107 - Передают случайный поток ПБД на стороне получателя через СС с КП.
108 - Принимают случайный поток ПБД на стороне отправителя из СС с КП.
109 - Измеряют мгновенное время задержки на двухстороннее распространение, используя принятый случайный поток ПБД, по формуле
где t - мгновенное время задержки на двухстороннее распространение, мс;
прм
t - время приема ПБД протокола ICMP на стороне отправителя, мс;
пер
t - время отправки ПБД протокола ICMP на стороне отправителя, взятое из дополнительной ПУИ протокола ICMP (фиг. 3), мс.
110 - Оценивают первый начальный момент времени задержки на двухстороннее распространение для ПБД, используя измеренное значение мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение, по формуле
где n - номер принятого ПБД;
- оценка для первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение для n-го принятого ПБД протокола ICMP, мс;
- оценка для первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, вычисленная для (n-1)-го принятого ПБД протокола ICMP, мс.
111 - Оценивают второй начальный момент времени задержки на двухстороннее распространение для ПБД, используя измеренное значение мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение, по формуле
где  - оценка для второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение для n-го принятого ПБД протокола ICMP, мс;
- оценка для второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение вычисленная для (n-1)-го принятого ПБД протокола ICMP, мс;
112 - Оценивают второй центральный момент времени задержки на двухстороннее распространение для ПБД, используя оценки для первого и второго начальных моментов времени задержки на двухстороннее распространение, по формуле
где , - оценка для второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение для n-го принятого ПБД протокола ICMP, мс.
113 - Оценивают доверительный интервал первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение для ПБД, используя оценки для первого начального и второго центрального моментов времени задержки на двухстороннее распространение, по формуле
где  - величина отклонения, определяемая по формуле
argФ*(x) - функция, обратная нормальной функции распределения [Вентцель Е.С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения / Е.С. Вентцель. - М.: НАУКА, 1969. - 574 с.]:
ош.бит
114 - Удаляют ПБД, у которых число ошибочных бит в поле данных больше, чем допустимое количество n, используя хранящуюся на передающей стороне эталонную последовательность случайных чисел.
зад
115 - Удаляют ПБД, у которых мгновенное время задержки на двухстороннее распространение больше, чем допустимая задержка t, используя временную метку, записанную в дополнительной ПУИ протокола ICMP (фиг. 3).
116 - Измеряют число нормально доставленных ПБД, используя формулу
117 - Оценивают вероятность нормальной доставки для ПБД, доставленных своевременно и при соблюдении нормы степени соответствия, используя формулу
где k - номер ПБД протокола ICMP, взятый из дополнительной ПУИ протокола ICMP (фиг. 3), для r-го нормально принятого ПБД протокола ICMP. Поскольку для доставки тестовых запросов используется постоянное или временное логическое соединение, следовательно, можно предположить, что нарушение последовательности ПБД протокола ICMP в процессе их передачи по СС с КП не происходит.
118 - Оценивают доверительный интервал вероятности нормальной доставки для ПБД, доставленных своевременно и при соблюдении нормы степени соответствия, используя оценку вероятности нормальной доставки ПБД, по формуле
1
2
где р и p - левая и правая границы частоты нормальной доставки для ПБД, доставленных своевременно и при соблюдении нормы степени соответствия, определяемые по формулам:
где
в свою очередь argФ* - функция, обратная нормальной функции распределения (19).
Заявленный способ измерения показателей качества функционирования сети связи с коммутацией пакетов обеспечивает повышение точности оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение и оценки вероятности нормальной доставки ПБД для самоподобного потока ПБД
Правомерность данного вывода проверялась с помощью эксперимента в имитационной системе NS2. В первой части эксперимента проводилось исследование способа измерения показателей качества функционирования сети связи с коммутацией пакетов.
Исходные данные для первой части эксперимента:
эф
- эффективная скорость передачи ПБД b(τ)=819200 бит/с;
- средний размер ПБД L=4000 бит;
- минимальный размер ПБД min L=440 бит;
- максимальный размер ПБД max L=1200 бит;
загр
- коэффициент загрузки логического канала k=0,4;
- показатель Херста Н=0,75;
ПБД
- число генерируемых ПБД N=100000;
- доверительная вероятность β=0,95;
1
- скорость передачи ПБД на выходе СМО №1 (один обслуживающий прибор, нет мест для ожидания) С=2048000 бит/с;
2
- скорость передачи ПБД на выходе СМО №2 (один обслуживающий прибор, бесконечное число мест для ожидания) С=2048000 бит/с.
2
2
Результаты имитационного моделирования для первых десяти ПБД в рамках первого эксперимента представлены на (фиг. 7а). Анализ статистического распределения для длительности интервалов времени между смежными ПБД (фиг. 4а) показывает, что вероятность р при χ=12,9 (критерий χ) при числе степеней свободы r=17 приближенно равна 0,7425. Так как эта вероятность малой не является, следовательно, гипотезу о том, что длительность интервала времени между смежными ПБД имеет распределение Вейбулла, можно считать правдоподобной [Вентцель, Е.С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения / Е.С. Вентцель. - М.: НАУКА, 1969. - 574 с]. Другими словами сформированный трафик данных обладает свойством самоподобия [Шелухин, О.И. Фрактальные процессы в телекоммуникациях / О.И. Шелухин. - М.: Радиотехника, 2003. - 480 с].
Результаты точечных и интервальных оценок вероятности нормальной доставки для n-го принятого ПБД и первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение для n-го принятого ПБД, полученные в рамках первого эксперимента, представлены на (фиг. 5а и фиг. 6а) соответственно.
Исходные данные для эксперимента №2 (исследование прототипа):
эф
- эффективная скорость передачи ПБД b(τ)=819200 бит/с;
- средний размер ПБД L=4000 бит;
- минимальный размер ПБД min L=440 бит;
- максимальный размер ПБД max L=1200 бит;
- длительность интервала времени между смежными ПБД имеет экспоненциальное распределение;
ПБД
- число генерируемых ПБД N=100000;
1
- скорость передачи ПБД на выходе СМО №1 (один обслуживающий прибор, нет мест для ожидания) С=2048000 бит/с;
2
- скорость передачи ПБД на выходе СМО №2 (один обслуживающий прибор, бесконечное число мест для ожидания) С=2048000 бит/с.
2
2
Результаты имитационного моделирования для первых десяти ПБД в рамках второго эксперимента представлены на (фиг. 7б). Анализ статистического распределения для длительности интервалов времени между смежными ПБД (фиг. 4б) показывает, что вероятность р при χ=12,6 (критерий χ) при числе степеней свободы r=17 приближенно равна 0,757. Так как эта вероятность малой не является, следовательно, гипотезу о том, что длительность интервала времени между смежными ПБД имеет экспоненциальное распределение, можно считать правдоподобной [Вентцель Е.С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения / Е.С. Вентцель. - М.: НАУКА, 1969. - 574 с]. Другими словами сформированный трафик данных не обладает свойством самоподобия [Шелухин О.И. Фрактальные процессы в телекоммуникациях / О.И. Шелухин. - М.: Радиотехника, 2003. - 480 с].
Результаты точечных и интервальных оценок вероятности нормальной доставки для n-го принятого ПБД и первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение для n-го принятого ПБД, полученные в рамках второго эксперимента, представлены на (фиг. 5б и фиг. 6б) соответственно.
Поскольку интервальные оценки вероятности нормальной доставки для n-го принятого ПБД и первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение для n-го принятого ПБД, полученные в рамках первого эксперимента (фиг. 5а и фиг. 6а), меньше аналогичных параметров, полученных в рамках второго эксперимента (фиг. 5б и фиг. 6б), следовательно, точность способа выше, чем точность прототипа [Вентцель Е.С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения / Е.С. Вентцель. - М.: НАУКА, 1969. - 574 с].
Заявленный способ показателей качества функционирования сети связи с коммутацией пакетов позволяет повысить точность оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение и оценки вероятности нормальной доставки ПБД для самоподобного потока ПБД.
Устройство измерения показателей качества функционирования сети связи с коммутацией пакетов (фиг. 2) состоит из блока 201 вычисления эффективной скорости передачи ПБД, блока 202 генератора случайного потока ПБД, блока 203 оценки доверительного интервала времени задержки на двухстороннее распространение, блока 204 оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блока 205 оценки второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блока 206 оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блока 207 измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение, первого блока 208 отправки/приема, второго блока 209 отправки/приема, блока 210 оценки доверительного интервала вероятности нормальной доставки ПБД, блока 211 оценки вероятности нормальной доставки ПБД, блока 212 измерения числа нормально доставленных ПБД, блока 213 удаления ПБД с недопустимой задержкой, блока 214 удаления ПБД с ошибками.
При этом выход блока 201 вычисления эффективной скорости передачи ПБД соединен с блоком 202 генератора случайного потока ПБД, блок 202 генератора случайного потока ПБД соединен с первым блоком 208 отправки/приема для реализации процедуры инкапсуляции ICMP пакетов в IP пакеты и их последующей отправки в сеть связи с коммутацией пакетов, первый блок 208 отправки/приема соединен с блоком 209 отправки/приема через сеть связи с коммутацией пакетов для передачи и приема случайного потока ПБД, первый блок 208 отправки/приема соединен с блоком 214 удаления ПБД с ошибками, первый блок 208 отправки/приема соединен с блоком 207 измерения мгновенной задержки на двухстороннее распространение для измерения мгновенного времени задержки на двустороннее распространение, блок 214 удаления ПБД с ошибками соединен с блоком 213 удаления ПБД с недопустимой задержкой для передачи ПБД принятых без ошибок, блок 213 удаления ПБД с недопустимой задержкой соединен с блоком 212 измерения числа нормально доставленных ПБД соответственно для измерения числа нормально доставленных ПБД, блок 212 измерения числа нормально доставленных ПБД соединен с блоком 211 оценки вероятности нормальной доставки ПБД для оценки вероятности нормальной доставки ПБД, блок 211 оценки вероятности нормальной доставки ПБД соединен с блок 210 оценки доверительного интервала вероятности нормальной доставки ПБД для оценки доверительного интервала вероятности нормальной доставки ПБД, блок 207 измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение соединен с блоком 213 удаления ПБД с недопустимой задержкой, блок 207 измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение соединен с блоком 206 оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение для оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блок 206 оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение соединен с блоком 204 оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение и с блоком 203 оценки доверительного интервала первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блок 207 измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение соединен с блоком 205 оценки второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение для оценки второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блок 205 оценки второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение соединен с блоком 204 оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение, блок 204 оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение соединен с блоком 203 оценки доверительного интервала первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение.
Блок 201 вычисления эффективной скорости передачи предназначен для вычисления эффективной скорости передачи с использованием интенсивности поступающей нагрузки от одного источника информации, минимальной и максимальной скорости передачи протокольных блоков данных, математического ожидания и дисперсии скорости передачи протокольных блоков данных, числа источников информации подключенных на передающей и приемной сторонах, допустимой вероятности нормальной доставки ПБД по перегрузкам.
Блок 202 генератора случайного потока ПБД предназначен для формирования случайной последовательности протокольных блоков данных протокола ICMP на стороне отправителя с использованием эффективной скорости передачи, минимального, максимального и среднего размеров протокольных блоков данных, числа генерируемых протокольных блоков данных, допустимой средней задержки на двухстороннее распространение протокольных блоков данных, показателя Херста, коэффициента загрузки логического канала. При формировании случайного потока ПБД на стороне отправителя по случайному закону усеченного и смещенного геометрического распределения выбирают длину протокольных блоков данных, по случайному закону распределения Бернулли заполняют поля данных протокольных блоков данных, по случайному закону геометрического распределения выбирают допустимую задержку пакетов протокола ICMP, интервалы времени между смежными пакетами выбирают с учетом коэффициента загрузки логического канала связи: для коэффициента загрузки логического канала связи, лежащего в диапазоне [0; 0,5], с помощью обратной функции распределения Вейбулла, а для коэффициента загрузки логического канала связи, лежащего в диапазоне (0,5; 1], с помощью обратной функции модифицированного распределения Парето.
Блок 203 оценки доверительного интервала первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение предназначен для оценки доверительного интервала первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение с использованием оценок для первого начального и второго центрального моментов времени задержки на двухстороннее распространение.
Блок 204 оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение предназначен для оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение с использованием оценок для первого и второго начальных моментов времени задержки на двухстороннее распространение.
Блок 205 оценки второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение предназначен для оценки второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение с использованием измеренного значения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение.
Блок 206 оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение предназначен для оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение с использованием измеренного значения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение.
Блок 207 измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение предназначен для измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение с использованием принятого случайного потока протокольных блоков данных.
Первый блок 208 отправки/приема предназначен для передачи случайного потока протокольных блоков данных на стороне отправителя через сеть связи с коммутацией пакетов, приема случайного потока протокольных блоков данных на стороне отправителя из сети связи с коммутацией пакетов.
Второй блок 209 отправки/приема предназначен для приема случайного потока протокольных блоков данных на стороне получателя из сети связи с коммутацией пакетов, отправки обратно случайного потока протокольных блоков данных на стороне получателя, передачи случайного потока протокольных блоков данных на стороне получателя через сеть связи с коммутацией пакетов.
Блок 210 оценки доверительного интервала вероятности нормальной доставки ПБД предназначен для оценки доверительного интервала вероятности нормальной доставки для ПБД, доставленных своевременно и при соблюдении нормы степени соответствия с использованием измеренного значения числа нормально доставленных ПБД.
Блок 211 оценки вероятности нормальной доставки ПБД предназначен для оценки вероятности нормальной доставки ПБД, доставленных своевременно и при соблюдении нормы степени соответствия.
Блок 212 измерения числа нормально доставленных ПБД предназначен для измерения числа нормально доставленных ПБД.
Блок 213 удаления ПБД с недопустимой задержкой предназначен для удаления ПБД, у которых мгновенное время задержки на двухстороннее распространение больше, чем допустимая задержка на двухстороннее распространение с использованием временной метки, записанной в дополнительной протокольной управляющей информацией протокола ICMP.
Блок 214 удаления ПБД с ошибками предназначен для удаления ПБД, у которых число ошибочных бит в поле данных больше, чем допустимое количество с использованием эталонной последовательности случайных чисел, хранящейся на передающей стороне.
Блоки 201-208 и 210-214 могут быть реализованы по известной схеме, например, на платформе ПЛИС фирмы Xilinx семейства Virtex-7 [https://www.xilinx.com/products/silicon-devices/fpga/virtex-7.html]. При этом программная часть блока 202 генератора случайного потока ПБД может быть исполнена на основе программы для ЭВМ [Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010610815, 2010 г.].
Второй блок 209 отправки/приема может быть реализован в виде любого сетевого устройства, которое содержит в своем стеке протоколов интернет-протокол IP и протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP, например, как показано в [Амато, Вито Основы организации сетей Cisco, том 1.: Пер. с англ. - М.: Издательский - дом "Вильяме", 2002. - 203 с].
Устройство работает следующим образом.
На вход блока 201 вычисления эффективной скорости передачи ПБД поступают исходные данные, данный блок вычисляет эффективную скорость передачи с использованием интенсивности поступающей нагрузки от одного источника информации, минимальной и максимальной скорости передачи протокольных блоков данных, математического ожидания и дисперсии скорости передачи протокольных блоков данных, числа источников информации подключенных на передающей и приемной сторонах, допустимой вероятности нормальной доставки ПБД по перегрузкам. Значение эффективной скорости передачи ПБД поступает в блок 202 генератор случайного потока ПБД. Блок 202 генератор случайного потока ПБД формирует случайную последовательность ПБД протокола ICMP на стороне отправителя с использованием эффективной скорости передачи ПБД, минимального, максимального и среднего размеров протокольных блоков данных, числа генерируемых протокольных блоков данных, допустимой средней задержки на двухстороннее распространение протокольных блоков данных, показателя Херста, коэффициента загрузки логического канала. При формировании случайного потока протокольных блоков данных на стороне отправителя по случайному закону усеченного и смещенного геометрического распределения выбирают длину протокольных блоков данных, по случайному закону распределения Бернулли заполняют поля данных протокольных блоков данных, по случайному закону геометрического распределения выбирают допустимую задержку пакетов протокола ICMP, интервалы времени между смежными пакетами выбирают с учетом коэффициента загрузки логического канала связи: для коэффициента загрузки логического канала связи, лежащего в диапазоне [0; 0,5], с помощью обратной функции распределения Вейбулла, а для коэффициента загрузки логического канала связи, лежащего в диапазоне (0,5; 1], с помощью обратной функции модифицированного распределения Парето. Используя первый блок 208 отправки/приема передают случайный поток ПБД, сформированный на стороне отправителя, через сеть связи с коммутацией пакетов во второй блок 209 отправки/приема, который принимает переданный случайный поток ПБД на стороне получателя из сети связи с коммутацией пакетов и отправляет через сеть связи с коммутацией пакетов случайный поток ПБД в виде случайной последовательности эхо-ответов протокола ICMP, сформированных на стороне получателя. Первый блок 208 отправки/приема принимает случайный поток ПБД в виде случайной последовательности эхо-ответов протокола ICMP сформированных, на стороне получателя. После чего случайный поток ПБД поступает в блок 207 измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение для измерения мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение и в блок 214 удаления ПБД с ошибками для удаления протокольных блоков данных, у которых число ошибочных бит в поле данных больше, чем допустимое количество с использованием эталонной последовательности случайных чисел, хранящейся на передающей стороне. Далее измеренное значение мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение поступает в блок 213 удаления ПБД с недопустимой задержкой, после чего в блоке 212 измеряют число нормально доставленных ПБД и в блоке 211 оценивают вероятность нормальной доставки ПБД. На основе оценки вероятности нормальной доставки ПБД в блоке 210 оценивают доверительный интервал вероятности нормальной доставки ПБД. Измеренное значение мгновенного времени задержки на двухстороннее распространение поступает в блок 206 оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение и в блок 205 оценки второго начального момента времени задержки на двухстороннее распространение соответственно для оценки первого и второго начальных моментов времени задержки на двухстороннее распространение. В блок 204 оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение поступают оценки для первого и второго начальных моментов времени задержки на двухстороннее распространение для оценки второго центрального момента времени задержки на двухстороннее распространение. Оценки для второго центрального и первого начального моментов времени задержки на двухстороннее распространение поступают в блок 203 оценки доверительного интервала первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение для оценки доверительного интервала первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение.
Из приведенных результатов эксперимента (фиг. 4, 5, 6) следует, что благодаря новой совокупности существенных признаков за счет дополнительно введенных элементов в заявленное устройство реализовано повышение точности оценки первого начального момента времени задержки на двухстороннее распространение и оценки вероятности нормальной доставки ПБД для самоподобного потока ПБД.