УСТРОЙСТВО ВЫЧИСЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО РАЗМЕРА ПАКЕТА ПО КРИТЕРИЮ МИНИМУМА РАЗНОСТИ ЗАДЕРЖКИ И ВРЕМЕНИ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЯ

Полезная модель относится к области техники связи и может быть использована для вычисления оптимального размера пакета по критерию минимума разности задержки и времени передачи сообщения (файла) 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 разности задержки и времени передачи сообщения.
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 своем 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 минимизацию разности задержки и времени передачи сообщения (файла).
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 разности задержки и времени передачи сообщения) использовать это устройство в системах с постоянными скоростями входного/выходного потока.
Устройство [4] обладает следующими основными недостатками:
1. Не проводят оптимизацию размера пакета под различные параметры соединения и трафика по критерию минимума разности задержки и времени передачи сообщения (файла).
2. Не учитывают при выборе размера пакета размер передаваемого сообщения (файла).
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 минимума разности задержки и времени передачи сообщения (файла) заданного размера.
Поставленная цель достигается тем, что данное устройство за счет применения блока ввода значения скорости передачи пакетированных данных, блока ввода значения скорости выходного потока, блока ввода значения размера служебной части пакета, блока ввода значения размера передаваемого сообщения, двух блоков деления, трех блоков умножения, блока увеличения на один, двух блоков умножения на два, блока умножения на четыре, трех блоков вычитания, блока возведения в квадрат, блока вычисления квадратного корня, блока сложения, блока отображения результата, причем выход блока 1 ввода значения скорости передачи пакетированных данных соединен с входом 1 блока 5 деления, выход блока 2 ввода значения скорости входного потока соединен с входом 2 блока 5 деления, выход блока 3 ввода значения размера служебной части пакета соединен с входом 2 блока 7 умножения, с входом 2 блока 6 умножения и входом 2 блока 10 вычитания, выход блока 4 ввода значения размера передаваемого сообщения соединен с входом 2 блока 11 вычитания, выход 1 блока 5 деления соединен с входом 1 блока 8 увеличения на один и с входом 1 блока 6 умножения, выход 1 блока 6 умножения соединен с входом 1 блока 9 умножения на два, выход 2 блока 6 умножения соединен с входом 1 блока 7 умножения, выход 1 блока 7 умножения соединен с входом 1 блока 12 умножения, выход 1 блока 8 увеличения на один соединен с входом 2 блока 12 умножения и входом 1 блока 13 умножения на два, выход 1 блока 9 умножения на два соединен с входом 1 блока 10 вычитания, выход 1 блока 10 вычитания соединен с входом 1 блока 11 вычитания, выход 1 блока 11 вычитания соединен с входом 1 блока 14 возведения в квадрат и входом 2 блока 18 сложения, выход 1 блока 12 умножения соединен с входом 1 блока 15 умножения на четыре, выход 1 блока 13 умножения на 2 соединен с входом 2 блока 19 деления, выход 1 блока 14 возведения в квадрат соединен с  входом 1 блока 16 вычитания, выход 1 блока 15 умножения на четыре соединен с входом 2 блока 16 вычитания, выход 1 блока 16 вычитания соединен с входом 1 блока 17 вычисления квадратного корня, выход 1 блока 17 вычисления квадратного корня соединен с входом 1 блока 18 сложения, выход 1 блока 18 сложения соединен с входом 1 блока 19 деления, выход 1 блока 19 деления соединен с входом блока 20 отображения результата.
Благодаря новой совокупности признаков за счет дополнительного введения двух блоков деления, трех блоков умножения, блока увеличения на один, двух блоков умножения на два, блока умножения на четыре, трех блоков вычитания, блока возведения в квадрат, блока вычисления квадратного корня, блока сложения и организации связей между ними, производят вычисление оптимального значения размера пакета, при котором обеспечивается минимум разности задержки и 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 в случаях, когда необходимо обеспечить сбалансированное сочетание задержки и времени передачи сообщения файла.
Использование предлагаемого устройства позволяет вычислять такой оптимальный размер пакета, при котором обеспечивается минимальная разность задержки и времени передачи сообщения (файла).
Устройство реализует следующие теоретические положения.
Современные системы связи в основном используют стандартные размеры пакетов для любых видов трафика и длин сообщений. Однако такая унификация лишает алгоритмы управления перегрузкой необходимых степеней свободы. К тому же фиксированный размер пакета является дополнительным разведывательным признаком, позволяющим определять тип передаваемого потока. Тем не менее, стек протоколов TCP/IP ил UDP/IP позволяет программисту управлять размером пакета, естественно в допустимых пределах. А ввиду того, что данные протоколы, по сути, положены в основу всех современных систем связи, объективно существует научная задача по выбору оптимального размера пакета.
Как известно, каждый пакет состоит из заголовка и полезной части. При передаче потокового видео, звука необходимо, чтобы размер пакета гарантировал минимальную задержку. Задержка в данном случае возникает ввиду необходимости ожидания некоторого времени до получения данных достаточных для заполнения всей полезной части пакета.
Интуитивно понятно, что минимальная задержка в данном случае будет при минимальном размере пакета, но при этом общее время передачи будет стремиться к бесконечности. Нахождение оптимального значения позволит сбалансированно использовать ресурсы системы связи.
Проблема оптимизации размера пакета существует при борьбе с битовыми ошибками, возникающими при передаче по каналу с помехами. В данном случае выбор оптимального размера пакета обеспечит сбалансированное функционирование системы дублирования потерянных частей сообщения.
Введем следующие обозначения:
- размер передаваемого сообщения (общий размер полезной части), байт;
- размер сообщения после пакетирования с учетом служебных данных, байт;
- размер служебной части сообщения после пакетирования, байт;
- размер пакета, байт;
- размер служебной части пакета, байт;
- размер полезной части пакета, байт;
- скорость поступления потока, байт/с;
- скорость передачи пакетированных данных, байт/с;
- время передачи сообщения с учетом полезной и служебной части, с;
- количество пакетов сообщения, шт.;
- задержка формирования пакета, с;
- задержка передачи пакета, с;
- общая задержка передачи пакета, с.
Необходимо определить такой размер пакета , который бы обеспечивал минимум задержки при минимуме времени на передачу всего сообщения (файла) или другими словами минимум разности задержки и времени передачи сообщения (файла).
Определим число пакетов, из которых будет состоять исходное сообщение  после пакетирования в соответствии с выражением
В данном случае получаемое значение не обязательно будет целым числом, но при использовании в реальных системах связи, оно должно быть округлено в большую сторону.
В результате пакетирования объем данных сообщения увеличится на величину суммарной служебной части
Объем данных после пакетирования, с учетом служебной части может быть определен как
Общая задержка передачи в данном случае включает задержку на сбор данных для наполнения пакета и собственно передачу пакета и может быть представлена как
Задержка передачи одного пакета может быть найдена из выражения
Подставим (1) и (3) в (5) в результате получим
Задержка формирования пакета может быть найдена исходя из выражения
Подставив (6) и (7) в (4) и выполнив элементарные преобразования  получим
Теперь найдем общее время передачи сообщения
Подставив (3) в (9) получим
Графики функций  и  представлены на фигуре 1.
На фигуре 1 отчетливо видны два решения, одно из которых можно исключить исходя из физического смысла задачи. Размер пакета не может быть меньше размера служебной части, а время передачи должно удовлетворять условию .
Анализ функции  по выражению (10) и графику на фигуре 1 позволяет сделать вывод, что она терпит разрыв в точке
Точка пересечения двух зависимостей и даст оптимальное соотношение задержки и времени передачи сообщения. При этом будет обеспечен минимум разности задержки и времени передачи сообщения, и он очевидно равен нулю. Точку пересечения , найдем решением следующего уравнения
Умножим обе части на , в результате выражение (11) примет вид:
Умножим обе части (12) на , и выполним элементарные преобразования
Раскроем скобки в (13)
Преобразуем (14) к квадратному уравнению
В результате, решение примет вид
С учетом того, что один корень уравнения можно исключить, и это меньший корень №2, решение таково
Устройство, реализующее указанные теоретические положения,  представлено на фигуре 2.
Устройство вычисления оптимального размера пакета по критерию минимума разности задержки и времени передачи сообщения содержит: блок 1 ввода значения скорости передачи пакетированных данных; блок 2 ввода значения скорости входного потока; блок 3 ввода значения размера служебной части пакета; блок 4 ввода значения размера передаваемого сообщения; блоки 5, 19 деления; блоки 6, 7, 12 умножения; блок 8 увеличения на один; блок 9 умножения на два; блоки 10, 11, 16 вычитания; блок 13 умножения на два; блок 14 возведения в квадрат; блок 15 умножения на четыре; блок 17 вычисления квадратного корня; блок 18 сложения; блок 20 отображения результата.
Функционирование устройства осуществляется следующим образом.
В блок 1 вводят значение скорости передачи пакетированных данных.
В блок 2 вводят значение скорости входного потока.
В блок 3 вводят значение размера служебной части пакета.
В блок 4 вводят значение размера передаваемого сообщения.
На вход 1 блока 5 деления с выхода блока 1 ввода значения скорости передачи пакетированных данных и на вход 2 блока 5 деления с выхода блока 2 ввода значения скорости входного потока поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 5 деления формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 6 умножения с выхода 1 блока 5 деления и на вход 2 блока 6 умножения с выхода блока 3 ввода значения размера служебной части пакета поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходах 1 и 2 блока 6 умножения формируются сигналы эквивалентные .
На вход 1 блока 7 умножения с выхода 2 блока 6 умножения и на вход 2 блока 7 умножения с выхода блока 3 ввода значения размера служебной части пакета поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 7 умножения формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 8 увеличения на один с выхода 1 блока 5 деления поступает сигнал эквивалентный , и на выходе 1 блока 8 увеличения на один формируются сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 9 умножения на два с выхода 1 блока 6 умножения поступает сигнал эквивалентный , и на выходе 1 блока 9 умножения на два формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 10 вычитания с выхода 1 блока 9 умножения на два и на вход 2 блока 10 вычитания с выхода блока 3 ввода значения служебной части пакета поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 10 вычитания формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 11 вычитания с выхода 1 блока 10 вычитания и на вход 2 блока 11 вычитания с выхода блока 4 ввода значения размера передаваемого сообщения поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 11 вычитания формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 12 умножения с выхода 1 блока 7 умножения и на вход 2 блока 12 умножения с выхода 1 блока 8 увеличения на один поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 11 вычитания формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 13 умножения на два с выхода 1 блока 8 увеличения на один поступает сигнал эквивалентный , и на выходе 1 блока 13 умножения на два формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 14 возведения в квадрат с выхода 1 блока 11 вычитания поступает сигнал эквивалентный , и на выходе 1 блока 14 возведения в квадрат формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 15 умножения на четыре с выхода 1 блока 12 умножения поступает сигнал эквивалентный , и на выходе 1 блока 15 умножения на четыре формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 16 вычитания с выхода 1 блока 14 возведения в квадрат и на вход 2 блока 16 вычитания с выхода 1 блока 15 умножения на четыре поступают сигналы эквивалентные и   соответственно, и на выходе 1 блока 16 вычитания формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 17 вычисления квадратного корня с выхода 1 блока 16 вычитания поступает сигнал эквивалентный , и на выходе 1 блока 17 вычисления квадратного корня формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 18 сложения с выхода 1 блока 17 вычисления квадратного корня и на вход 2 блока 18 сложения с выхода 1 блока 11 вычитания поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 18 сложения формируется сигнал эквивалентный .
На вход 1 блока 19 деления с выхода 1 блока 18 сложения и на вход 2 блока 19 деления с выхода 1 блока 13 умножения на 2 поступают сигналы эквивалентные  и  соответственно, и на выходе 1 блока 19 деления формируется сигнал эквивалентный .
На блок 20 отображения результата с выхода 1 блока 19 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 минимум разности задержки и времени передачи сообщения (файла) с учетом параметров соединения и размера передаваемого файла, что позволяет обеспечить баланс между задержкой и временем передачи файла. 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.