CC BY
73
Алгоритмы оценки потерь пакетов с адаптацией по выборке для сетей передачи потоковых данных
В работе рассматривается популярный на прикладном уровне механизм коррекции пакетов - адаптивный РЕС (АЯБС). В статье предложены способы улучшения работы данного алгоритма. Результат работы АРЕС зависит от своевременно полученных данных о показателе качества, который определяется коэффициентом потерь пакетов. Алгоритм оценки потерь пакетов с адаптацией по выборке с различной задержкой измеряет коэффициент потерь пакетов, что позволяет своевременно реагировать на изменения в сети. При низком уровне коэффициента потерь пакета размер выборки максимален, что увеличивает точность измерения показателя качества. При повышении коэффициента потерь пакетов размер выборки уменьшается, что позволяет увеличить скорость реагирования сети на данные изменения. Рассматривается два алгоритма оценки потерь пакетов: пропорциональный и пороговый. Для оценки эффективности работы адаптивного алгоритма РЕС вводится понятие выигрыша. В работе сравнивается выигрыш АРЕС с алгоритмом оценки потерь пакетов с адаптацией по выборке и без него. Эффективность работы пропорционального и порогового алгоритмов оценки потерь пакетов показана разницей в выигрыше в процентах при использовании АРЕС с адаптивной и фиксированной выборкой.
Ревило О. А,
студент магистратуры, Ижевский государственный технический
университет (ИжПУ),
Емельянов В. Н.,
аспирант, Ижевский государственный технический университет
(ИжПУ),
Абилов А. В.,
кт.н., доцент, Ижевский государственный технический университет (ИжПУ),
Введение
Интернет вмещает в себя богатое разнообразие технологий, сетей, протоколов и алгоритмов. На сегодняшний день одноранговые сети (также называемые “P2P сети”) являются наиболее популярными. Технология P2P сетей способна успешно предоставить множество сервисов через Интернет, такие как, обмен файлами, передача голоса. Особенно растет популярность сервисов по передаче потокового видео в пиринговых сетях. В таких сетях узлы пользователей могут работать как клиент и сервер одновременно. Принятые от сервера либо вышестоящего компьютера данные воспроизводятся и передаются далее другим пользователям.
При передаче голоса и потокового видео особую важность приобретает вопрос качества передачи данных. На прикладном уровне применяют несколько способов восстановления данных: прямая коррекция ошибок (Forward Error Correction, FEC), схема кодирования с многомерным описанием (Multiple Description Coding, MDC), автоматический переспрос пакетов (Automatic Repeat-reQuest, ARQ), централизованная и децентрали-
зованная сетевая избыточность (Network Redundancy) [1, 2]. Наибольшее внимание привлекает механизм FEC, где каждый блок включает как информационные, так и избыточные пакеты. Восстановление потерянных пакетов возможно в случае, если их число не превосходит количество избыточных пакетов в блоке потоковых данных. Для успешного применения механизма FEC источнику потоковых данных необходимо в реальном режиме времени обладать информацией о качестве обслуживания, показателем которого может выступать коэффициент потерь пакетов в сети. Поэтому важным является применение наиболее эффективных алгоритмов оценки коэффициента потерь пакетов в сетях передачи потоковых данных. Такая оценка осуществляется на основе приема последовательности определенной длины (выборки). Выборка состоит из М блоков (интервал измерения), которые в свою очередь состоят из X пакетов (рис. 1) [3]. На основе результатов измерения качества адаптивные алгоритмы управления периодически настраивают характеристики сети с целью оптимизации ее работы.
1 и 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 - \М-ІМІ 111)
А ''"'^Интервал измерения
1 \х 1 1 2 1 3 1 4 1 S 1 ІА'-ІІ X 1 ІІ 1
Блок-интервал h А ! ►
Поток
Рис. 1. Процесс измерения коэффициента потерь пакетов
Очевидно, что длина выборки влияет на скорость отклика системы управления. Чем больше выборка, тем выше точность измерения, но ниже скорость реакции системы, и наоборот. Следовательно, важной задачей является разработка методов адаптивного изменения размера выборки, в зависимости от результатов измерения коэффициента потерь пакетов [4].
Ключевые слова:
одноранговая сеть, P2P, выборка, адаптация, потоковые данные
1. Алгоритмы адаптивной оценки потерь пакетов
Алгоритмы оценки потерь пакетов могут быть применены только к адаптивным алгоритмам управления. В работах [3, 5] предложены адаптивные алгоритмы управления избыточностью FEC, где в зависимости от измеренного коэффициента потерь пакетов принимается решение о необходимой величине избыточных пакетов. Рассмотренные в этих работах алгоритмы были исследованы для древовидной сгруктуры P2P сети. По своей структуре такие сети делятся на два вида: с однослойным и многослойным деревом. Для многослойной древовидной структуры сети, представленной на рис. 2, сервер потоковых данных использует FEC пакетного уровня в каждом блоке, и каждый узел может восстанавливать потерянные пакеты во входящем потоке. Все функции по управлению древовидной сетью возлагаются на сервер. Он реагирует на изменение состояния сети и адаптивно регулирует как её логическую структуру, так и избыточность. Каждый узел производит оценку коэффициента потерь пакетов (Packet Loss Rate - PLR) поступающих данных [5, 6].
Адаптивный FEC позволяет как уменьшить коэффициент потерь пакетов, так и более эффективно использовать полосу пропускания канала связи при передаче потоковых данных. В большинстве алгоритмов управления, в том числе рассматриваемых в работах [3, 5], измерение PLR происходит через одинаковые промежутки времени на определенной фиксированной выборке. Однако в течение времени измерения PLR может произойти резкое изменение коэффициента потерянных пакетов. При этом алгоритм FEC может не успеть вовремя увеличить избыточность и скорректировать появившиеся потери. Поэтому предлагается применить новый алгоритм с адаптивным размером выборки. В этом случае при низком уровне коэффициента потерь пакетов размер выборки выбирается достаточно большим для достижения требуемой точности измерения.
При увеличении коэффициента потерь пакетов размер выборки автоматически уменьшается, тем самым, увеличивается скорость реагирования. В работе предлагается и исследуется два алгоритма адаптивной оценки потерь пакетов: пороговый и пропорциональный (рис. 3). Пороговый алгоритм оценки потерь пакетов. Используется несколько пороговых значений коэффициента потерь пакетов (Р,), которые служат для принятия решения о размере выборки. В общем случае количество таких порогов может быть различным. В данном исследовании используем два пороговых уровня (Pn.Pfi), для которых выбирается три стационарных размера выборки: при PLR < Р,\ размер выборки наибольший, при PLR > Ра размер выборки наименьший (рис. 3).
Задание размера Задание размера
выборки выборки
V-v2 V=n '(PLRm - Ра)
(Пороговый (Пропорциональный
алгоритм) алгоритм)
1 2 3 4—данных из і а
ф ф §>ф Ф Ф Ф ф
Ф Ф ФФ
Рис. 2. Архитектура многослойного дерева
Рис. 3. Пороговый и пропорциональный алгоритмы оценки потерь пакетов
Пропорциональный алгоритм оценки потерь пакетов. Если измеренный коэффициент потерь пакетов (PLR„,) меньше первого порогового значения (Рц), то выборка наибольшая (стационарный размер). При превышении PLRm второго порогового уровня (Ра), выборка ограничивается минимальным размером. В иных случаях размер выборки (V) изменяется по следующему закону:
У = а/(Р1ЛЯ- РЛ) (1)
где Р,| - первое пороговое значение коэффициента потерь пакетов; PLRm - измеренный коэффициент потерь пакетов; а - пропорциональный коэффициент, выбираемый на основе имитационного моделирования.
2. Оценка эффективности порогового алгоритма оценки потерь пакетов
Исследование эффективности функционирования предложенных алгоритмов проведено методом имитационного моделирования. При моделировании используется модель многослойного дерева со следующими исходными данными: скорость передачи - 1 Мбит/с, общее время измерения - 2500 с, длина блока - 20 пакетов, число избыточных пакетов в блоке ограничено и может принимать значение от 0 до 8. Измеренное значение коэффициента потерь пакетов, которое посгупает на сервер, определяется как среднее арифметическое коэффициента потерь пакетов на узлах всех уровней сети. Задержка передачи пакетов не учитывается. Вероятность потерь пакетов (Р„) изменяется по синусоидальному закону с максимальным уровнем 0,1 и с периодом Т = 628 с.
Для анализа эффективности предложенных алгоритмов введем понятие коэффициента выигрыша (Кв), который показывает во сколько раз средний Коэффициент ПОТерЬ ПакеТОВ (.PLRc|,FEc) для предложенных алгоритмов меньше, чем средний PLR без применения коррекции потерь пакетов РЕС ^PLRcp) [5]:
(2)
ф
Ф Ф
K.=PLRcp/(PLRcpFEC)
3. Оценка эффективности пропорционального алгоритма оценки потерь пакетов
Исходные данные для моделирования пропорционального алгоритма оценки потерь пакетов аналогичны пороговому алгоритму. Для пропорционального алгоритма оценки потерь пакетов был ограничен размер выборки: максимальный - 500 блоков, минимальный - 5 блоков. Результаты имитационного моделирования представлены на рис. 8 и 9.
1000 1500
Время (с)
Рис. 8. Зависимость PLR от времени при стационарной выборке 500 блоков для алгоритма FEC
2500
2500
Время (с)
Рис. 9. Зависимость PLR от времени при пропорциональном алгоритме оценки потерь блоков для алгоритма FEC
При использовании данного алгоритма необходимо правильно подобрать коэффициент пропорциональности а. Для определения а было проведено имитационное моделирование, которое показало, что коэффициент пропорциональности не должен превышать 35, так как в противном случае средняя выборка приближается к ее максимальному размеру. Моделирование проводилось для значений а в диапазоне 10-35 с шагом 5. Максимальный выигрыш К, составил 2,65 при значении а = 25,
что больше на 41%, чем для стационарной выборки 500 блоков (рис. 8 и 9). Сходные результаты показал и пороговый алгоритм, поэтому, с точки зрения эффективности, существенной разницы между пороговым и пропорциональным алгоритмами выявлено не было.
Заключение
P2P сети получили большую популярность, существуют разные алгоритмы для повышения качества передачи потоковых данных. В работе предложены и исследованы два алгоритма адаптивной оценки потерь пакетов для механизма коррекции потерь пакетов FEC.
В результате имитационного моделирования выявлено, что выигрыш порогового алг оритма повышается с ростом размера выборки. При этом адаптивный алгоритм оценки потерь пакетов позволяет меньше нагружать полосу пропускания канала: для скорости 1 Мбит/с, разница составила 5 Кбит/с по сравнению со стационарной выборкой. Результаты исследования пропорционального алгоритма показали, что его эффективность сопоставима с пороговым алгоритмом оценки потерь пакетов. Однако, при различных начальных условиях (набор используемых значений размера выборки, пороговые значения коэффициента потерь пакетов) алгоритмы имеют не одинаковую эффективность. Дальнейшие исследования могут быть направлены на разработку рекомендаций: при каких условиях необходимо применять адаптивный алгоритм оценки потерь пакетов.
Литература
1. Sarjakoski L. Challenges of Mobile Peer-to-Peer Applications in 3G and MANET Environments, Helsinki University of Technology 2005.
2. Schollmcier R., Gruber I., Finkenzellcr M. Routing in ad hoc and peer-to-peer networks, a comparison. 2002.
3. Абилов А.В. Качество обслуживания в одноранговых (P2P) сетях с обратной связью. Отчет по проекту № 16132 аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)”. Ижевск, ИжГТУ, 2009. - 25 с.
4. Ревило О.А., Абилов А.В., Насибулии А.Л. Анализ методов оценки потерь пакетов в сетях передачи потоковых данных / Сборник материалов IV Всероссийской научнотехнической конференции “Интеграция науки, образования и производства - 2010. Приборостроение в XXI веке”. — Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. - С.238-244.
5. Емельянов В.Н., Павлова М.М. Адаптивные алгоритмы коррекции потерь пакетов в одноранговых сетях передачи потоковых данных / Сборник материалов IV Всероссийской научно-технической конференции "Интеграция науки, образования и производства - 2010. Приборостроение в XXI веке". - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. - С.216-222.
6. Насибулии A.J1., Абилов А.В., Ревило О.А. Анализ вариантов повышения качества обслуживания в P2P сетях Mesh структуры / Сборник материалов IV Всероссийской научно-технической конференции "Интеграция науки, образования и производства - 2010. Приборостроение в XXI веке”. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. - С.228-233.
PACKET LOSS EVALUATION ALGORITHMS WITH ADAPTIVE MEASUREMENT PERIOD FOR DATA STREAMING NETWORKS Revilo OA, Emelyanov V.N., Abilov A.V.
Abstract: In this paper the popular application-layer packet correction mechanism, an adaptive FEC (AFEC) is considered. The article suggests ways to improve performance of the algorithm. This paper compares the gain of AFEC algorithm and algorithm of packet loss estimation by adaptation with the sample and wthout it. The efficiency of the proportional and threshold estimation algorithms of packet loss shows the difference in gain percentage when using AFEC wth adaptive and fixed sample. Keywords: Peer-to-Peer network, P2P, measurement period, adaptation, streaming data.
