Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
The aim of the work is to investigate statistical characteristics of multimedia services traffic of IP-network on the basis of the service information analysis of package headings. The investigation method is mathematical mod-eling in the Mathcad 14 environment. As a result of the investigations, a mathematical apparatus allowing the fulfillment of a point and interval assessment of separate constituents of voice messaging quality and also the decisionmaking regarding the satisfaction degree by users with the service offered. In the work on the basis of measurements with the aid of the Wireshark program and the TCP protocol there are carried out the investigations of permissible fields in a quality parameter variation of voice message perception. A stochastic tie is revealed between transfer standard quality parameters by means of plotting diagrams and histograms of the assessments of these parameters mutual impact. The most significant indices of transfer quality parameters form the standpoint of their impact upon quality of voice message perception are RTT indices and loss factors.
packet switching, voice traffic of IP-networks, service quality
Введение
При совершенствовании сетей связи необходимо учитывать две противоречащие друг другу особенности: 1) создание сети в рамках существующего финансирования и ограниченных ресурсов; 2) обеспечение высокого качества обслуживания абонентов. Решение данной проблемы осложняется следующими факторами: субъективный характер оценок качества восприятия конечными пользователями, непредсказуемость колебаний параметров качества функционирования сети, чрезвычайно сложная взаимосвязь между показателями качества. Специфика сетей связи предполагает преимущественное использование речевого трафика. Поэтому необходимо учитывать проблемы, связанные с нестабильной работой различных устройств сети.
В связи с этим предлагается создать аналитическую модель оценок качества восприятия речевых сообщений, учитывающих как стохастический характер функционирования сети, так и строго существующие взаимосвязи между параметрами качества. В результате исследований будет получен математический аппарат, позволяющий проводить точечное и интервальное оценивание отдельных составляющих качества передачи речевых сообщений, а также выносить решения относительно степени удовлетворенности пользователей предоставляемыми услугами.
Методология
Для создания математической модели используется программный продукт Mathcad 14. Mathcad 14 является высокоуровневым языком программирования, с помощью которого становится возможным анализ данных, разработка алгоритмов и создание различных моделей. Основными функциями, использованными в разработанной модели, являются submatrix, histogram, trim и match.
Существующие оценки качества восприятия базируются на коэффициенте оценки качества передачи (R-фактор). Используя определенную архитектуру мониторинга передачи речевого трафика, возможно оценить вероятные временные показатели качества функционирования сети [1]. В основу подобных измерений положены возможности существующих снифферов типа Wireshark, а также протокола передачи трафика RTCP.
Результаты измерений позволяют на основе детерминированных соотношений получить оценки качества восприятия.
Для исследования был выбран протокол TCP, который с помощью программного интерфейса Wireshark позволяет вычислить RTT и потери пакетов по служебной информации, передаваемой вместе с пакетом TCP.
Важной особенностью протокола TCP является возможность определения времени кругового пути. Время кругового пути (RTT) - это время, необходимое для отправки пакета, плюс время, необходимое для подтверждения принятия этого пакета. Следовательно, это время состоит из времени распространения пакета между двумя точками [2].
Значения RTT зависят от различных факторов:
- Скорость передачи данных (интернет-соединения) источника.
- Характер среды передачи.
- Физическое расстояние между источником и получателем.
- Число узлов между источником и получателем.
- Объем трафика в локальной сети, к которой подключен конечный пользователь.
- Число других запросов, обрабатываемых промежуточными узлами и удаленным сервером.
- Скорость, с которой функционируют промежуточный узел и удаленный сервер.
- Наличие помех в сети.
Начнем с определения RTT при помощи Wireshark. Для Ping и Traceroute измеряется время кругового прохождения между отправкой пакета Ping и получением пакета ICMP обратно. Для соединений TCP это измерение времени передачи пакета и получения подтверждения от целевого хоста.
При использовании Wireshark для захвата и анализа пакетов встроенный инструмент программы вычислит и отобразит RTT в данных о пакете, содержащем ACK. Данное значение отображается в последней строчке в подменю «SEQ/ACK analysis» (рис. 1).
Рис. 1. Информация о пакете, содержащем ACK
Выделим процесс ретрансляции в трафике, захваченном при помощи программы Wireshark (рис. 2).
Рис. 2. Ретрансляция в захваченном трафике
Механизм ретрансляции протокола TCP гарантирует, что данные будут надежно переданы от начала до конца. Если в TCP-соединении будут повторные передачи, логично предположить, что потеря пакетов произошла в сети где-то между клиентом и сервером.
Существует способ быстрой идентификации повторных передач захваченного при помощи Wireshark трафика. Воспользуемся фильтром - tcp.analysis.retransmission.
Таким образом, получена возможность измерения RTT и потерь пакетов с помощью TCP-соединения и программы захвата пакетов Wireshark.
Для многократных измерений пакетов была использована консольная версия программы Wireshark (Tshark). При захвате пакетов обрабатывалось TCP-соединение компьютера с сайтом www.youtube.com на протяжении длительного времени. Для имитации нагрузок на сеть и сбоев для подключения использовались прокси-серверы в различных регионах мира, чтобы выяснить влияние удаленности сетей хоста и сервера. Далее полученная статистика обрабатывалась при помощи специальных формул в программе Mathcad.
Откроем записанные в текстовом документе значения времени получения пакетов и соответствующие значения RTT в специальном файле Mathcad. Построим зависимость значений RTT от времени (рис. 3).
Рис. 3. График зависимости RTT от времени
Делаем вывод, что RTT не имеет конкретного значения на всем интервале. Величина испытывает частое колебание значений [3]. Для большей наглядности построим такой же график на интервале от 0 до 5 секунд (рис. 4).
Рис. 4. График зависимости RTT от времени на интервале от 0 до 5 секунд
|
94 |
Полученный график в целом однородный; имеются небольшие отклонения от средних значений, которые очень немногочисленны и присутствуют в определенные моменты измерений.
По полученному ранее графику изобразим гистограмму с целью определения типа распределения значений RTT (рис. 5).
Рис. 5. Гистограмма значений RTT
По гистограмме видно, что распределение очень похоже на экспоненциальное распределение, прослеживаются четко выраженные пиковые значения [4].
Значение оценки MOS по пятибалльной шкале упрощенно можно представить как функцию от коэффициента оценки качества передачи:
|
|
|
На основании приведенных выше формул построим график зависимости оценки MOS от времени (рис. 6), взяв за основу кодек ИКМ. Значения оценки резко изменяются во времени. Установлено, что значения MOS колеблются от 4,409 до 1. То есть в сети возникали случаи с очень низким качеством восприятия. Однако эти случаи редки, в целом качество сети было приемлемым для передачи трафика. По этому графику можно точно определить моменты возникновения перегрузок в сети.
Рис. 6. Значения MOS как функции от времени
|
95 |
Построим двумерную гистограмму зависимости MOS от усредненных значений RTT (рис. 7).
Рис. 7. Двумерная гистограмма зависимости MOS от усредненных
значений RTT
Имеются 2 характерные области. Первая - с большими значениями усредненных RTT и наименьшими значениями оценки MOS. Она характеризуется большими задержками передачи пакетов, качество восприятия неудовлетворительное. Это момент высокой загруженности сети. Однозначный вывод по параметру RTT делать нельзя ввиду наличия второй области - участка, где усредненные RTT также принимают большие значения, но оценка MOS колеблется от 2,512 до 4,409. Вторая область характеризуется широким набором значений MOS и усредненных RTT. Наиболее частыми событиями являются периоды с малой задержкой и высокой оценкой MOS, что было теоретически ожидаемо. Однако имеется область с такой же высокой оценкой MOS, но достаточно высокими задержками в сети. Объяснить это можно отсутствием потерь и задержкой передачи информации в служебных заголовках пакетов TCP.
Выводы
Проанализированы зависимости между различными параметрами качества передачи путем построения двумерных гистограмм. Статистические зависимости потерь от других параметров имеют дискретный характер, остальные параметры распределены более равномерно. Определенным значениям одного параметра соответствуют значения другого параметра, при этом линейной взаимосвязи не наблюдается.
В результате исследований получен математический аппарат, позволяющий проводить точечное и интервальное оценивание отдельных составляющих качества передачи речевых сообщений, а также выносить решения относительно степени удовлетворенности пользователей предоставляемыми услугами.
1. Baskakov, S.I. Radiotehnicheskie cepi i signaly / S.I. Baskakov. - M.: Vyssh. shk., 2005. - S. 130-142.
2. Batenkov, A.A. Algoritm sinteza bazisa ortonormirovannyh funkciy dlya mnogokanal'noy peredachi dannyh / A.A. Batenkov, G.V. Bogachev, K.A. Batenkov // Cifrovaya obrabotka signalov. - 2007. - № 2. - S. 19-25.
3. Batenkov, A.A. Diskretizaciya lineynogo kanala svyazi s pamyat'yu i additivnym belym gaussovskim shumom chislennym metodom / A.A. Batenkov, K.A. Batenkov // Matematicheskoe modelirovanie. - 2009. - T. 1. - № 1. - S. 53-74.
4. Batenkov, K.A. Granicy veroyatnosti simvol'noy oshibki dlya kanala svyazi s lognormal'nymi zamiraniyami pri ispol'zovanii predyskazheniy i pomehoustoychivogo kodirovaniya / K.A. Batenkov, V.V. Gusev, M.V. Ilyushin, O.N. Katkov, A.A. Mel'nikov, M.V. Stremouhov // Telekommunikacii. - 2018. - № 2. - S. 45-48.
5. Batenkov, K.A. Sintez determinirovannyh nelineynyh diskretnyh otobrazheniy nepreryvnyh kanalov svyazi / K.A. Batenkov // Trudy SPIIRAN. - 2016. - № 2 (45). - S. 75-101.
