Файл: 2014.06.02 - Матеріали науково-практичної конференції «Проблеми експлуатації та захисту інформаційно-комунікаційних систем».pdf

Н

АУКОВО

-

ПРАКТИЧНА КОНФЕРЕНЦІЯ

«ПРОБЛЕМИ

ЕКСПЛУАТАЦІЇ

ТА

ЗАХИСТУ

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНИХ

СИСТЕМ» 

2

–

5

 ЧЕРВНЯ 

2014

 Р

.,

Н

АЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

,

 М

.

К

ИЇВ

45 

кодек  G.711  дає  найвищу  якість  звуку,  але  має  при  цьому  найвищий 
рівень трафіку. Кодеки G.729a, .723.1 і G.726 мають різну ступінь яко-
сті звуку, в порядку його зменшення. Вибір кодека не відбувається ав-
томатично.  Системний  адміністратор  повинен  вказати  і  розташувати 
кодеки в порядку їх пріоритету в VoIP-системі. Правильний вибір ко-
дека  може істотно  поліпшити  якість  звуку.  Відображаючи  дані  VoIP-
сесії, аналізатор VOIP мереж дозволяє спостерігати процес узгоджен-
ня кодеків, тобто кодеки, доступні пристроям, а також той кодек, який 
був у підсумку узгоджений для передачі даних. 

Було  розраховано  смугу  пропускання,  яка  необхідна  для  невели-

кої організації, що складається з 20 – 40 чоловік. Використовується рі-
зне  кінцеве  обладнання,  аналогічно  і  різні  кодеки.  Проведено  аналіз 
впливу  смуги  пропускання  на  якість  встановленого  телефонного 
з’єднання.  Якщо  використовується  кодек  G.711,  то  при  найменшому 
зменшенні смуги пропускання погіршується якість голосу. Якщо сму-
га пропускання буде обмежена на 20 %, то якість зв’язку залишається 
прийнятною, а більше 20 – неможливим. Це пов’язано з тим, що кодек 
G.711 вимагає досить велику смугу для кодування голосу – 84 кбіт/c і 
тому  невеликі  обмеження  не  вплинуть  на  якість  передачі.  Кодеки 
iLBC, Speex і GSM більш критичні до обмеження смуги пропускання, 
ніж кодек G.711. Цей факт пояснюється тим, що дані кодеки для більш 
сильного  стиснення  голосу  використовують  складніші  алгоритми  ко-
дування. Ці кодеки створювалися для передачі голосу по IP-мережах в 
умовах малої пропускної здатності каналу зв’язку, а також у випадках 
великої кількості користувачів IP телефонної мережі. Розглянуті коде-
ки  крім  критичності  до  величини  смуги  пропускання  мають  ще  один 
недолік. Так як вони використовують складні алгоритми кодування, то 
вимагають  більшої  обчислювальної  потужності  серверів.  Тому  при 
використанні цих кодеків необхідно враховувати продуктивність сер-
верів  і  кількість  абонентів,  інакше  неправильний  розрахунок  може 
привести  до  зависання  обладнання  і  непрацездатності  телефонної             
мережі. 

Тому перед побудовою і під час експлуатації мереж IP-телефонії 

необхідно контролювати і не допускати істотного пониження гранич-
них  норм  пропускної  здатності  мережі,  так  як  це  може  привести  до 
погіршення  зв’язку  і,  як  наслідок,  незадоволеності  абонентів  IP-
телефонної мережі. 

Н

АУКОВО

-

ПРАКТИЧНА КОНФЕРЕНЦІЯ

«ПРОБЛЕМИ

ЕКСПЛУАТАЦІЇ

ТА

ЗАХИСТУ

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНИХ

СИСТЕМ» 

2

–

5

 ЧЕРВНЯ 

2014

 Р

.,

Н

АЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

,

 М

.

К

ИЇВ

46 

УДК 004.258:004.031.2 (043.2) 

Є.В. Рибальченко 

Національний авіаційний університет, м. Київ 

ПІДВИЩЕННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ ВУЗЛОВОГО 

ОБЛАДНАННЯ ШЛЯХОМ ВИКОРИСТАННЯ МЕХАНІЗМІВ 

ПРОГНОЗУВАННЯ ПОТОКІВ ТРАФІКУ 

Оскільки  вузлове  обладнання  (ВО)  сучасних  пакетних  мереж  є 

високо вартісним, то одна з ключових проблем експлуатації пакетних 
мереж полягає у недостатній ефективності наявних технологій оброб-
ки протокольних блоків даних, які в умовах пульсуючого трафіку по-
ки, ще не в змозі забезпечити високий коефіцієнт завантаження такого 
ВО. Виходячи з точки зору економічної складової, необхідно намага-
тися  збільшувати  ступінь  використання  ресурсів  мережевих  комута-
ційних  пристроїв,  щоб  опрацьовувати  більші  обсяги  даних  у  співвід-
ношенні  на  одиницю  вартості  задіяного  обладнання.  Реальний  коефі-
цієнт завантаження обладнання сучасних пакетних мереж в середньо-
му  не  перевищує  величини  0,45  –  0,5.  При  більших  значеннях  цього 
коефіцієнту  різко  падає  якість обробки  пакетів  під  час  значних  пуль-
сацій трафіка. Як бачимо, існує достатньо вагомий резерв збільшення 
економічної  ефективності  використання  ресурсів  мережі  за  рахунок 
збільшення  коефіцієнту  завантаження  її  ВО  корисним  тафіком,  шля-
хом застосування засобів прогнозування у контурі системи адаптивно-
го керування ресурсами. 

Поставлену  задачу  підвищення  продуктивності  використання  ре-

сурсів  ВО  (без  погіршення  якості  обробки  потоків  пакетів)  пропону-
ється вирішити за рахунок реалізації засобів прогнозування у контурі 
системи  адаптивного  перерозподілу  пропускної  спроможності  кому-
таційного обладнання між його портами у реальному часі. Тоді робота 
системи  адаптивного  керування  буде  полягати  в  тому,  що  пропускна 
спроможність  комутатора  буде  розподілятися  між  його  портами  про-
порційно інтенсивності потоків пакетів, що надходять до цих портів, а 
динаміка  процесу  перерозподілу  буде  співпадати  із  динамікою  пуль-
сацій  трафіка.  Дана  технологія  забезпечить  виділення  більшої  частки 
від загальної пропускної спроможності комутатора для того порту, на 
вводі  якого  збільшилася  інтенсивність  потоку  протокольних  блоків 
даних, за рахунок частки пропускної спроможності порту, на якому в 
цей  час  спостерігається  її  зменшення  або  незмінність.  Система  адап-

Н

АУКОВО

-

ПРАКТИЧНА КОНФЕРЕНЦІЯ

«ПРОБЛЕМИ

ЕКСПЛУАТАЦІЇ

ТА

ЗАХИСТУ

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНИХ

СИСТЕМ» 

2

–

5

 ЧЕРВНЯ 

2014

 Р

.,

Н

АЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

,

 М

.

К

ИЇВ

47 

тивного керування дозволить завантажити комутуюче обладнання ме-
режі  на  55 – 60 %.  Недоліком  запропонованої  системи  адаптивного 
керування є виникнення системних помилок регулювання, пов’язаних 
із  недостатньої  швидкодією  системи,  адаптивністю  та  дискретністю 
процесу такого перерозподілу. Системні помилки регулювання (недо-
статньої  прогнозованості  та  високої  динамічності  пакетного  трафіка) 
можуть суттєво знизити корисний ефект від застосування адаптивного 
способу управління комутаційного обладнання. 

Аналіз  літературних  джерел  показав,  що  ідея  адаптивного  керу-

вання  потоками  даних  на  портах  ВО  не  нова,  але  ідея  використання 
самих механізмів прогнозування в процесі адаптивного керування ще 
не  висвітлювалась  у  публікаціях  і  не  впроваджена  в  експлуатаційну 
практику.  Дослідження  основних  характеристик  пакетного  трафіку 
показують,  що  пульсації  потоку  пакетів  носять  мало  прогнозований 
характер  та  характеризуються  високою динамікою  виникнення,  вели-
ким діапазоном амплітуд і тривалості існування. Виходячи з вище ска-
заного, механізми, які будуть забезпечувати реалізацію перерозподілу 
повинні  мати  високі  динамічні  характеристики.  Зокрема,  в  моменти 
часу, коли інтенсивність потоку пакетів на якомусь порту швидко збі-
льшується, то цьому порту треба практично миттєво виділити більшу 
частку  пропускної  спроможності  комутатора  (звісно,  за  рахунок  зме-
ншення  часток  пропускної  спроможності,  що  виділяються  іншим  по-
ртам).  І  навпаки,  якщо  потік  пакетів  на  якомусь  порту  швидко  змен-
шується,  то  з  відповідною  динамікою  необхідно  зменшити  і  частку 
пропускної спроможності комутатора, яка цьому порту виділяється.  

Для підвищення якості адаптивного управління в умовах значних 

пульсацій  трафіку  та  боротьби  з  переліченими  недоліками  пропону-
ється  вдосконалити  відому  систему  адаптивного  управління  за  раху-
нок  застосування  засобів  прогнозування  пульсацій  пакетного  трафіку 
в задачах адаптивного керування. Це полягає в пристосуванні методу 
прогнозування пульсацій пакетного трафіку і швидкодіючих програм-
них  механізмів  їхньої  реалізації  до  умов,  коли  ці  механізми  вбудову-
ються у контур системи адаптивного перерозподілу пропускної спро-
можності ВО між його портами і функціонують із швидкістю, що до-
зволяє змінювати смуги пропускання портів синхронно із пульсаціями 
пакетного  трафіку.  Встановлення  механізмів  прогнозування  дозволяє 
використовувати в процесі управління раніш виміряну (апостеріорну) 
інформацію, що дає можливість системі прогнозувати можливу пове-

Н

АУКОВО

-

ПРАКТИЧНА КОНФЕРЕНЦІЯ

«ПРОБЛЕМИ

ЕКСПЛУАТАЦІЇ

ТА

ЗАХИСТУ

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНИХ

СИСТЕМ» 

2

–

5

 ЧЕРВНЯ 

2014

 Р

.,

Н

АЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

,

 М

.

К

ИЇВ

48 

дінку потоків трендів на наступних кроках управління. Проте для ефе-
ктивної  роботи  механізмів  прогнозування,  необхідно  аби  трафік,  що 
надходить до ВО, відносився до асимптотично самоподібних процесів.  

Введення  цих  елементів  дозволяє  якісно  підвищити  завантаже-

ність мережевого обладнання, а також зменшити кількість системних 
помилок управління. Внаслідок цього мінімізується кількість проміж-
ків  часу,  на  яких  інтенсивність  трафіка  більша  за  смуги  пропускання 
портів і перевантаження обладнання виникає рідше. 

У роботі поставлено та вирішено такі основні завдання: 
– здійснено аналіз та дослідження впливу утворення помилок ада-

птивного регулювання та особливостей побудови моделі адаптивного 
управління, що забезпечує можливість зменшення негативного впливу 
цих помилок на якість прийняття управлінських рішень; 

–  досліджено  представницькі  вибірки  пакетного  трафіку,  сучас-

них комп’ютерних мереж, для аналізу ймовірнісних характеристик та 
фрактальних  властивостей;  розроблено  процедури  віднесення  пакет-
ного  трафіка  до класу  самоподібних  процесів;  аналіз  можливих  алго-
ритмів  прогнозування,  що  можуть  бути  використані  в  механізмах ке-
рування  перерозподілом  пропускної  здатності  пакетного  комутатора 
між  його  портами;  вибір  основних  показників  якості  прогнозу,  що 
враховують виявлену структуру пульсацій пакетного трафіку; вибір за 
результатами оцінювання найбільш ефективного алгоритму прогнозу-
вання; 

– розроблено алгоритм та розрахункову схему технології прогно-

зування пульсацій потоків пакетів на портах ВО шляхом реалізації об-
раного  на  попередньому  етапі  найбільш  ефективного  методу  прогно-
зування (метод прогнозування з використанням похідних). 

–  розроблено  програмні  механізми  реалізації  методу  прогнозу-

вання пульсацій потоків пакетів з використанням похідних та відпові-
дної структури програмного середовища, орієнтованого на здійснення 
порівняльного аналізу показників ефективності методу; 

–  експериментальні  дослідження  ефективності  застосування  на-

званого  вище  методу  прогнозування  на  експериментально  отриманих 
типових  вибірках  пульсацій  трафікового  навантаження,  зокрема  оці-
нювання якості прогнозування цих пульсацій, а також швидкодії заді-
яної обчислювальної схеми, що відтворює розроблені механізми про-
гнозування;  експериментальна  оцінка  технології  адаптивного  управ-
ління щодо можливостей підвищення завантаженості обладнання. 

Н

АУКОВО

-

ПРАКТИЧНА КОНФЕРЕНЦІЯ

«ПРОБЛЕМИ

ЕКСПЛУАТАЦІЇ

ТА

ЗАХИСТУ

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНИХ

СИСТЕМ» 

2

–

5

 ЧЕРВНЯ 

2014

 Р

.,

Н

АЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

,

 М

.

К

ИЇВ

49 

Включення  в  контур  системи  адаптивного  регулювання  перероз-

поділом  пропускної  спроможності  ВО  механізмів  прогнозування 
пульсацій  пакетного  трафіка  на  його  портах  дає  змогу  забезпечити 
можливість  збільшення  завантаженості  ВО  комп’ютерних  мереж  та 
забезпечують  ефективну  роботу  засобів  адаптивного  керування  роз-
поділом ресурсів пакетних мереж. Процедура усереднення потоків па-
кетів дозволяє певною мірою згладжувати пульсації трендів, що спри-
яє якості прогнозування трафіку, а встановлення механізму прогнозу-
вання  –  зменшувати  кількість  втрачених  через  системні  помилки 
управління пакетів. Загалом маємо можливість значною мірою підви-
щити  завантаженість  ВО.  Запропонована  технологію  адаптивного  ке-
рування потоками даних на портах комутатору, дозволяє більш точно 
відслідковувати у реальному часі високу динаміку пульсацій реально-
го трафіку пакетних даних у сучасних комп’ютерних мережах. Також 
метод  прогнозування  «поведінки»  потоків  даних  на  портах  пакетних 
комутаторів (або маршрутизаторів) є оптимізованим для використання 
в  технології  адаптивного  керування  перерозподілом  пропускної  здат-
ності комутатору між його портами. 

Практичне  значення  отриманих  результатів,  полягає  в  тому,  що 

розроблений метод прогнозування та інтерполяції пакетного трафіку і 
створена  на  основі  цього  методу  технологія  адаптивного  керування 
ресурсами  ВО  комп’ютерних  мереж  придатні  для  реального  застосу-
вання  з  більш  ефективними  характеристиками  у  порівнянні  з  існую-
чими  технологіями  керування  завантаженням  цього  обладнання.  Ви-
користання механізмів прогнозування трафіку на портах ВО дозволяє 
знизити вимоги до його швидкодії, що, у свою чергу, дозволяє суттєво 
знизити капітальні витрати на придбання такого обладнання для його 
експлуатації у реальних умовах функціонування комп’ютерних мереж. 

Удосконалена  технологія  адаптивного  перерозподілу  пропускної 

спроможності  ВО  пакетних  мереж  зменшує  негативний  вплив  утво-
рюваних помилок адаптивного регулювання на якість управління цим 
обладнанням. Зокрема, впровадження цієї технології в експлуатаційну 
практику,  як  свідчать  результати  експериментальних  досліджень,  до-
зволяє забезпечити високий рівень завантаженості ВО (із значеннями 
коефіцієнту  використання  пропускної  здатності  комутуючого  облад-
нання у діапазоні 0,65 – 0,75), не порушуючи при цьому сервісні угоди 
з  клієнтами  щодо  забезпечення  необхідних  рівнів  якості  надання      
послуг.