[go: up one dir, main page]

RU2832625C1 - Method for optimal formation of link layer frame for fractal aggregated traffic in multiservice data network based on criterion of minimum end-to-end delay - Google Patents

Method for optimal formation of link layer frame for fractal aggregated traffic in multiservice data network based on criterion of minimum end-to-end delay Download PDF

Info

Publication number
RU2832625C1
RU2832625C1 RU2024101531A RU2024101531A RU2832625C1 RU 2832625 C1 RU2832625 C1 RU 2832625C1 RU 2024101531 A RU2024101531 A RU 2024101531A RU 2024101531 A RU2024101531 A RU 2024101531A RU 2832625 C1 RU2832625 C1 RU 2832625C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ethernet frame
size
useful part
traffic
optimal
Prior art date
Application number
RU2024101531A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Федорович Сыцевич
Павел Юрьевич Белов
Константин Сергеевич Мирошник
Original Assignee
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Filing date
Publication date
Application filed by ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ filed Critical ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Application granted granted Critical
Publication of RU2832625C1 publication Critical patent/RU2832625C1/en

Links

Abstract

FIELD: information technology.
SUBSTANCE: invention relates to means of optimizing placement in a single frame of a link layer of several network layer packets. Technical result is achieved by finding the optimal size of the useful part of the Ethernet frame using the residual service model and smoothing the residual service curve, used to find the optimal solution analytically with subsequent successive approximation to compensate for the smoothing error.
EFFECT: reduced delay when transmitting a fractal aggregated stream in order to improve transmission quality.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области оптимизации размера пакетов данных и может быть использовано для минимизация сквозной задержки при передаче пульсирующего мультиплексированного трафика с учетом показателя Харста каждого микропотока входящего в состав агрегата за счет оптимизации размещения в едином фрейме канального уровня нескольких пакетов сетевого уровня.The invention relates to the field of optimizing the size of data packets and can be used to minimize end-to-end delay during transmission of pulsed multiplexed traffic taking into account the Hurst index of each microflow included in the aggregate by optimizing the placement of several network layer packets in a single channel layer frame.

Данное техническое решение в первую очередь предназначено для динамического определения оптимального размера Ethernet фрейма и минимизации сквозной задержки в мультисервисных сетях передачи данных, за счет формирования фрейма канального уровня из нескольких IP пакетов, что позволяет использовать предлагаемый способ практически в любых пакетных системах передачи данных и обеспечивает его широкую промышленную применимость.This technical solution is primarily intended for dynamic determination of the optimal Ethernet frame size and minimization of end-to-end delay in multiservice data transmission networks, by forming a channel-level frame from several IP packets, which allows the proposed method to be used in virtually any packet data transmission systems and ensures its wide industrial applicability.

Анализ информационного обмена позволяет сделать вывод, что имеет место значительное количество Ethernet фреймов существенно меньших чем 1500 байт максимально возможного размера. Как известно, использование фреймов маленького размера приводит к появлению большого количества избыточной служебной информации, 26 байт на каждый фрейм, где: преамбула (7 байт), начальный разделитель фрейма (1 байт), МАС-адрес назначения (6 байт), МАС-адрес источника (6 байт), тип сетевого протокола (2 байт), проверочная последовательность фрейма (4 байта). Также нужно учесть межпакетный интервал, соответствующий 12 байтам. Это приводит к неэффективному использованию пропускной способности сети. С другой стороны, когда размер полезной части слишком большой по отношению к служебной части, это приводит к существенному увеличению задержки при передаче низкоскоростного трафика, в связи с необходимостью длительного накопления данных на полноразмерный фрейм. Кроме того, при обслуживании фрактального агрегированного трафика использование предположения о его Пуассоновском распределении для построения математических моделей и определения оптимального размера Ethernet фрейма неадекватно реальному входному потоку, что приводит к увеличению показателя сквозной задержки и превышению требований к качеству обслуживания (QoS) при передаче данных. Причем, наличие в агрегированном потоке микропотоков имеющих различную природу возникновения и как следствие различные фрактальные характеристики, значительно снижает точность оценки требуемых ресурсов пропускной способности.The analysis of the information exchange allows us to conclude that there is a significant number of Ethernet frames that are significantly smaller than the maximum possible size of 1500 bytes. As is known, the use of small frames results in the appearance of a large amount of redundant service information, 26 bytes per frame, where: preamble (7 bytes), initial frame delimiter (1 byte), destination MAC address (6 bytes), source MAC address (6 bytes), network protocol type (2 bytes), frame check sequence (4 bytes). It is also necessary to take into account the interpacket interval, corresponding to 12 bytes. This leads to inefficient use of network bandwidth. On the other hand, when the size of the useful part is too large in relation to the service part, this leads to a significant increase in the delay in the transmission of low-speed traffic, due to the need for long-term accumulation of data for a full-size frame. In addition, when servicing fractal aggregated traffic, the use of the assumption of its Poisson distribution for constructing mathematical models and determining the optimal Ethernet frame size is inadequate to the real input flow, which leads to an increase in the end-to-end delay indicator and exceeding the requirements for quality of service (QoS) during data transmission. Moreover, the presence of microflows in the aggregated flow that have different origins and, as a consequence, different fractal characteristics significantly reduces the accuracy of estimating the required bandwidth resources.

Это обуславливает необходимость использования при обеспечении качества обслуживания фрактального агрегированного трафика технических решений способных пакетировать входной поток с оптимальным размером Ethernet фрейма с учетом фрактальных свойств каждого из микропотоков входящих в состав агрегата по критерию минимума сквозной задержки.This necessitates the use of technical solutions capable of packaging the input stream with an optimal Ethernet frame size, taking into account the fractal properties of each of the microstreams included in the aggregate according to the criterion of minimum end-to-end delay, when ensuring the quality of service of fractal aggregated traffic.

Из уровня техники известен способ и устройство, которые реализуют изменение длин пакетов для передач с высокой скоростью передачи пакетных данных (патент RU №2341903, 2004). Для этого многочисленные пакеты уровня безопасности (SL) могут быть мультиплексированы в одиночный PL-пакет, чтобы увеличить эффективность, при этом SL-пакеты могут иметь изменяемые длины. В одном из вариантов осуществления SL-пакеты различного формата для различных пользователей объединяются в капсулы, которые формируют PL-пакет. Более короткие пакеты предназначены для пользователей с плохими канальными условиями или требующих меньшее количество данных, обусловленное применением и сопутствующим требованиям качества обслуживания (QoS).A method and device are known from the prior art that implement a change in packet lengths for transmissions with a high packet data rate (RU patent No. 2341903, 2004). For this purpose, multiple security level (SL) packets can be multiplexed into a single PL packet to increase efficiency, while the SL packets can have variable lengths. In one embodiment, SL packets of different formats for different users are combined into capsules that form a PL packet. Shorter packets are intended for users with poor channel conditions or requiring a smaller amount of data due to the application and associated quality of service (QoS) requirements.

Недостатки данного технического решения:Disadvantages of this technical solution:

1. Осуществляют выбор размера пакета из списка заранее определенных величин на основании запрошенной скорости передачи.1. Select the packet size from a list of predetermined values based on the requested transmission rate.

2. Осуществляют выбор размера пакета независимо от потоков трафика идущих параллельно рассматриваемому потоку.2. Select the packet size regardless of the traffic flows running parallel to the flow under consideration.

3. Не учитывают возможность передачи трафика через несколько телекоммуникационных узлов.3. They do not take into account the possibility of transmitting traffic through several telecommunications nodes.

4. Не учитывают производительность телекоммуникационных устройств.4. They do not take into account the performance of telecommunication devices.

5. Не учитывают при пакетировании фрактальность потока.5. The fractality of the flow is not taken into account when packaging.

Так же известно Устройство вычисления оптимального размера пакета по критерию минимума разности задержки и времени передачи сообщения (патент RU №203223, 2022). Данное устройство позволяет реализовать метод вычисления оптимального размера пакета по критерию минимума разности задержки и времени передачи сообщения.Also known is the Device for calculating the optimal packet size based on the criterion of the minimum difference between the delay and the message transmission time (RU patent No. 203223, 2022). This device allows implementing a method for calculating the optimal packet size based on the criterion of the minimum difference between the delay and the message transmission time.

Недостатки данного технического решения:Disadvantages of this technical solution:

1. Не учитывают при вычислении размера пакета характеристики потоков трафика идущих параллельно рассматриваемому потоку.1. When calculating the packet size, the characteristics of traffic flows running parallel to the flow under consideration are not taken into account.

2. Не учитывают при вычислении размера пакета характеристики всех промежуточных узлов на маршруте следования потока.2. When calculating the packet size, the characteristics of all intermediate nodes along the flow route are not taken into account.

3. Не учитывают возможные пульсации входного потока и доступной пропускной способности.3. They do not take into account possible pulsations in the input flow and available bandwidth.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа, является Способ минимизации задержки при гарантированной передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений (патент RU №2764784, 2021).The closest in technical essence to the claimed method and chosen as a prototype is the Method for minimizing delay in the guaranteed transmission of a packetized smoothed stream of digital compressed images (patent RU No. 2764784, 2021).

Сущность данного способа заключается в максимизации качества обслуживания мультимедийного трафика посредством минимизации задержки и минимизации потерь из-за переполнения входного буфера, за счет определения оптимального плана пакетирования с адаптивным резервированием пропускной способности и буферного пространства. Для этого в способе прототипе:The essence of this method is to maximize the quality of service of multimedia traffic by minimizing delays and minimizing losses due to overflow of the input buffer, by determining the optimal packetization plan with adaptive reservation of bandwidth and buffer space. To do this, in the prototype method:

1. Задают параметры входного потока.1. Set the input stream parameters.

2. Задают параметры устройств обработки трафика.2. Set the parameters of traffic processing devices.

3. Формируют кривую поступления входного потока.3. Form the curve of the incoming flow.

4. Формируют кривую обслуживания сети связи.4. Form a service curve for the communication network.

5. Вычисляют минимальную задержку воспроизведения.5. Calculate the minimum playback delay.

6. Определяют оптимальный размер полезной части пакета.6. Determine the optimal size of the useful part of the package.

7. Конфигурируют сеть связи.7. Configure the communication network.

8. Вычисляют минимальный размер буфера.8. Calculate the minimum buffer size.

9. Конфигурируют устройство воспроизведения.9. Configure the playback device.

10. Передают покадровый поток.10. Transmit a frame-by-frame stream.

11. Сглаживают поток.11. Smooth out the flow.

12. Разбивают поток сжатых изображений на пакеты и предают по каналу связи.12. They split the stream of compressed images into packets and transmit them over a communication channel.

13. Принимают по каналу связи поток и передают на декодер.13. Receive the stream via the communication channel and transmit it to the decoder.

14. Производят декомпрессию потока и передают его на устройство воспроизведения.14. Decompress the stream and transmit it to the playback device.

15. Воспроизводят поток.15. Play the stream.

Способ прототип имеет следующие недостатки.The prototype method has the following disadvantages.

1. Не учитывают при передаче трафика влияние на телекоммуникационные устройства других потоков трафика (кросспотоков).1. When transmitting traffic, the impact of other traffic flows (cross-flows) on telecommunications devices is not taken into account.

2. Не учитывают индивидуальные фрактальные свойства каждого из микропотоков входящих в состав агрегата.2. They do not take into account the individual fractal properties of each of the microflows included in the unit.

3. Не формируют Ethernet фреймы из нескольких IP пакетов.3. Do not form Ethernet frames from several IP packets.

4. Производят перепакетирование первичных данных.4. Repackaging of primary data is performed.

5. Передают только мультимедийный трафик.5. Transmit only multimedia traffic.

Задача, которую решает предлагаемый способ, заключается в минимизации сквозной задержки при передаче фрактального агрегированного трафика с учетом фрактальности микропотоков участвующих в агрегировании, за счет определения оптимального размера Ethernet фрейма и формирования его из нескольких IP пакетов.The problem solved by the proposed method is to minimize the end-to-end delay in the transmission of fractal aggregated traffic, taking into account the fractality of the microflows participating in the aggregation, by determining the optimal size of the Ethernet frame and forming it from several IP packets.

Технический результат заключается в снижении задержки при передаче фрактального агрегированного потока с целью повышения качества передачи, за счет нахождения оптимального размера полезной части Ethernet фрейма с использованием модели остаточного обслуживания и сглаживания кривой остаточного обслуживания применяемой для нахождения оптимального решения аналитически с последующим последовательным приближением для компенсации ошибки сглаживания.The technical result consists in reducing the delay in transmitting a fractal aggregated flow in order to improve the quality of transmission, due to finding the optimal size of the useful part of the Ethernet frame using a residual service model and smoothing the residual service curve used to find the optimal solution analytically with subsequent successive approximation to compensate for the smoothing error.

Функционирование изобретения поясняется следующими графическими материалами:The functioning of the invention is explained by the following graphic materials:

Фиг. 1 - функциональная схема Способа оптимального формирования фреймов канального уровня для фрактального агрегированного трафика в мультисервисной сети передачи данных по критерию минимума сквозной задержки;Fig. 1 - functional diagram of the Method for optimal formation of channel level frames for fractal aggregated traffic in a multiservice data transmission network based on the criterion of minimum end-to-end delay;

Фиг. 2 - зависимость максимальной сквозной задержки от размера полезной части пакета при передаче фрактального агрегированного потока.Fig. 2 - dependence of the maximum end-to-end delay on the size of the useful part of the packet when transmitting a fractal aggregated flow.

На фигуре 1 представлена функциональная схема Способа оптимального формирования фреймов канального уровня для фрактального агрегированного трафика в мультисервисной сети передачи данных по критерию минимума сквозной задержки, которая включает следующие элементы:Figure 1 shows a functional diagram of the Method for optimal formation of channel-level frames for fractal aggregated traffic in a multiservice data transmission network based on the criterion of minimum end-to-end delay, which includes the following elements:

1. Сервер контроля информационного обмена.1. Information exchange control server.

2. Источник фрактального агрегированного трафика.2. Source of fractal aggregated traffic.

3. Устройство пакетирования.3. Packaging device.

4. Получатель фрактального агрегированного пакетированного потока.4. Receiver of fractal aggregated packetized stream.

5. Блок вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма.5. Block for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame.

Для решения заявленной задачи предлагается Способ оптимального формирования фреймов канального уровня для фрактального агрегированного трафика в мультисервисной сети передачи данных по критерию минимума сквозной задержки, заключающийся в том, что:To solve the stated problem, a Method for optimal formation of channel-level frames for fractal aggregated traffic in a multiservice data transmission network is proposed based on the criterion of minimum end-to-end delay, which consists in the fact that:

1. Собирают непрерывно в режиме реального времени статистику о структуре сети и передаваемых потоках на сервере 1 контроля информационного обмена на основании перехвата пакетов, алгоритмов маршрутизации и резервирования пропускной способности, а также контроля загруженности буферов телекоммуникационных устройств.1. Continuously collect statistics in real time about the network structure and transmitted flows on the server 1 for monitoring information exchange based on packet interception, routing algorithms and bandwidth reservation, as well as monitoring the buffer load of telecommunication devices.

2. Передают весь входной поток от источника 2 фрактального агрегированного трафика через устройство 3 пакетирования получателю 4 фрактального агрегированного пакетированного потока с учетом текущего оптимального размера Ethernet фрейма, полезная часть которого в начальный момент времени принимается равной размеру пакета сетевого уровня.2. The entire input stream is transmitted from the source 2 of the fractal aggregated traffic through the packaging device 3 to the recipient 4 of the fractal aggregated packetized stream, taking into account the current optimal size of the Ethernet frame, the useful part of which at the initial moment in time is taken to be equal to the size of the network layer packet.

3. Собирают в устройстве 3 пакетирования статистику о входных Ethernet фреймах (времени поступлении, размере, источнике, получателе и типе трафика) и передают ее в блок 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма.3. Collect statistics on input Ethernet frames (arrival time, size, source, recipient and traffic type) in the packaging device 3 and transmit it to the block 5 for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame.

4. Анализируют в блоке 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма статистику информационного обмена и определяют показатель Харста, оценку математического ожидания и среднеквадратического отклонения интенсивности входного потока в режиме реального времени для текущего объема статистики.4. In block 5 for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame, the statistics of the information exchange are analyzed and the Hurst index, the estimate of the mathematical expectation and the standard deviation of the intensity of the input flow in real time for the current volume of statistics are determined.

5. Определяют в блоке 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма суммарную среднюю скорость всего агрегированного потока на перспективу с учетом текущей фрактальности его микропотоков.5. In block 5 for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame, the total average speed of the entire aggregated flow is determined for the future, taking into account the current fractality of its microflows.

При этом используют математическую модель агрегирования фрактального потока, для каждой группы потоков с равными значениями показателя Харста в отдельности реализованную изобретением (Сыцевич Н.Ф., Белов П.Ю., Мирошник К.С., Способ резервирования пропускной способности для агрегированного фрактального трафика с адаптацией к текущей нагрузке. Патент №2804500 от 02.10.2023 г.).In this case, a mathematical model of fractal flow aggregation is used, for each group of flows with equal values of the Hurst index, separately implemented by the invention (Sytsevich N.F., Belov P.Yu., Miroshnik K.S., Method of reserving bandwidth for aggregated fractal traffic with adaptation to the current load. Patent No. 2804500 dated 02.10.2023).

При построении математической модели используются следующие теоретические положения.The following theoretical principles are used in constructing a mathematical model.

Из теории самоподобных процессов, известна математическая модель масштабирования по времени фрактального процесса, которая в контексте передачи телекоммуникационного трафика может быть представлена следующим образом:From the theory of self-similar processes, a mathematical model of time scaling of a fractal process is known, which in the context of telecommunication traffic transmission can be represented as follows:

где Н - показатель Харста телекоммуникационного трафика, а -масштабный коэффициент, х(⋅) - объем трафика поступивший за время (⋅). Будем рассуждать следующим образом.where H is the Hurst index of telecommunication traffic, a is the scale factor, x(⋅) is the volume of traffic received during time (⋅). We will reason as follows.

Представим объем трафика x(t), поступивший в систему за время t через скорость передачи данных:Let us represent the volume of traffic x(t) received by the system during time t through the data transfer rate:

где - средняя скорость телекоммуникационного трафика.Where - average speed of telecommunication traffic.

Очевидно, что для объединения потоков справедливо выражение вида:It is obvious that for the union of flows the following expression is valid:

где x1(t), x2(t), …, xn(t) - объем трафика поступивший за время t для каждого из п потоков участвующих в агрегировании, а соответствующие им скорости поступления данных.where x 1 (t), x 2 (t), …, x n (t) is the volume of traffic received during time t for each of the n flows participating in the aggregation, and the corresponding data receipt rates.

Проведем элементарные алгебраические преобразования правой части выражения (3), показав насколько суммарная средняя скорость всех потоков будет превосходить скорость первого потока. В результате выражение (3) примет вид:Let us perform elementary algebraic transformations of the right-hand side of expression (3), showing how much the total average speed of all flows will exceed the speed of the first flow. As a result, expression (3) will take the form:

Если предположить, что потоки x1, x2, …, xn, имеют одинаковый показатель Харста Н, то можно рассматривать как масштабный коэффициент по времени для первого потока. Таким образом, с учетом выражения (2), справедлива следующая математическая модель агрегирования фрактального потокаIf we assume that the flows x 1 , x 2 , …, x n , have the same Hurst exponent H, then can be considered as a time scale factor for the first flow. Thus, taking into account expression (2), the following mathematical model of fractal flow aggregation is valid

Если аналогично выражению (2) представить левую часть выражения (5) как то скорость поступления данных для агрегированного потока, после элементарных алгебраических преобразований (5), может быть описана выражением вида:If, similarly to expression (2), we represent the left-hand side of expression (5) as then the data receipt rate for the aggregated flow, after elementary algebraic transformations (5), can be described by an expression of the form:

Затем необходимо суммировать вычисленные скорости по всем группам потоков с равными значениями показателя Харста. Это позволяет получить - суммарную среднюю скорость всего потока.Then it is necessary to sum the calculated velocities for all groups of flows with equal values of the Hurst exponent. This allows us to obtain - the total average speed of the entire flow.

6. Определяют в блоке 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма берстность для кривой поступления агрегированного трафика.6. In block 5, the calculation of the optimal size of the useful part of the Ethernet frame is determined, the burstiness for the curve of receipt of aggregated traffic.

При этом под кривой поступления трафика понимают функцию от времени описывающую зависимость суммарного количества поступивших данных и имеющую вид:In this case, the traffic arrival curve is understood as a function of time that describes the dependence of the total amount of received data and has the form:

где:Where:

М - максимальный размер Ethernet фрейма в потоке;M - maximum size of Ethernet frame in a stream;

Р - пиковая скорость потока;P - peak flow rate;

b - допустимая берстность потока, определяемая произведением максимального размера Ethernet фрейма в потоке М на количество микропотоков в агрегате;b - permissible burstiness of the flow, determined by the product of the maximum size of the Ethernet frame in the flow M by the number of microflows in the unit;

- устойчивая средняя скорость потока. - stable average flow rate.

7. Запрашивают в блок 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма с сервера 1 контроля информационного обмена данные о структуре сети и передаваемых в ней потоках.7. Request data on the network structure and the flows transmitted in it from the information exchange control server 1 to the block 5 for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame.

8. Рассчитывают в блоке 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма параметры кривой остаточного обслуживания на маршруте следования агрегированного трафика.8. In block 5 for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame, the parameters of the residual service curve on the route of the aggregated traffic are calculated.

При этом используют следующие положения теории детерминированного сетевого исчисления.In this case, the following provisions of the theory of deterministic network calculus are used.

Сетевое исчисление (англ., Network Calculus) - это совокупность математических результатов, которые позволяют исследовать граничные значения характеристик функционирования таких сложных технических систем, как сети связи, цифровые электрические цепи, конкурирующие программы и др. Сетевое исчисление дает теоретическую основу для анализа гарантированной производительности телекоммуникационных пакетных сетей, в отличии от теории массового обслуживания, оперирующей в основном со средними значениями показателей.Network calculus is a set of mathematical results that allow one to study the boundary values of the characteristics of the functioning of such complex technical systems as communication networks, digital electrical circuits, competing programs, etc. Network calculus provides a theoretical basis for the analysis of the guaranteed performance of telecommunication packet networks, in contrast to the theory of queuing, which operates mainly with average values of indicators.

Для построения остаточной кривой обслуживания на маршруте следования агрегата трафика необходимо построить кривые поступления потоков (кросспотоков), проходящих через телекоммуникационное оборудование, через которое следует анализируемый агрегат трафика (кросспотоков) где F - агрегат кросспотоков, a n - количество агрегатов), а также кривые обслуживания этого телекоммуникационного оборудования.To construct a residual service curve on the route of a traffic aggregate, it is necessary to construct the curves of arrival of flows (cross-flows) passing through the telecommunications equipment through which the analyzed traffic aggregate (cross-flows) passes. where F is the cross-flow aggregate, an is the number of aggregates), as well as the service curves of this telecommunications equipment.

Кривая обслуживания задается параметрами: R - скорость обработки трафика и T - максимальная задержка бит потока в устройстве и имеет вид:The service curve is defined by the parameters: R - the traffic processing speed and T - the maximum delay of the bit stream in the device and has the form:

После нахождения кривых поступления трафика для всех кросспотоков и кривых обслуживания телекоммуникационного оборудования на маршруте следования агрегата трафика необходимо найти кривые остаточного обслуживания этих устройств обработки трафика путем нахождения поточечной разности кривых обслуживания оборудования и суммы всех агрегатов кросстрафика проходящих через него:After finding the traffic arrival curves for all cross-flows and the service curves of telecommunications equipment along the route of the traffic aggregate, it is necessary to find the residual service curves of these traffic processing devices by finding the pointwise difference of the equipment service curves and the sum of all cross-traffic aggregates passing through it:

где: - кривая остаточного обслуживания устройства обработки трафика S на маршруте следования агрегата, β(s) - кривая обслуживания устройства обработки трафика S на маршруте следования агрегата, - кривая поступления кросспотока на маршруте следования агрегата трафика, n -количество кросспотоков проходящих через устройство S.Where: - the residual service curve of the traffic processing device S on the route of the unit, β (s) - the service curve of the traffic processing device S on the route of the unit, - the curve of cross-flow arrival on the route of the traffic aggregate, n is the number of cross-flows passing through device S.

Затем производят min+свертку полученных кривых остаточного обслуживания всех обслуживающих устройств на пути следования агрегата:Then, a min+convolution of the resulting residual service curves is performed. all service devices along the unit's route:

где: - кривая остаточного обслуживания предоставляемая сетью связи для целевого агрегата трафика, - кривая остаточного обслуживания устройства обработки трафика на маршруте следования агрегата, m - количество устройств обработки трафика на маршруте следования агрегата.Where: - the residual service curve provided by the communication network for the target traffic aggregate, - residual service curve of the traffic processing device on the route of the unit, m - the number of traffic processing devices on the route of the unit.

9. Рассчитывают в блоке 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма оптимальный размер Ethernet фрейма.9. Calculate the optimal size of the Ethernet frame in block 5 for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame.

При этом используют следующие теоретические положения.The following theoretical principles are used.

Чтобы оптимизировать размер полезной части Ethernet фрейма по критерию минимума сквозной задержки, необходимо эту задержку вычислить. В сетевом исчислении для приведенных выше видов кривой поступления и кривой вида «скорость-задержка» (кривая обслуживания) известна формула вычисления максимальной задержки битового потока в узле:To optimize the size of the useful part of the Ethernet frame according to the criterion of minimum end-to-end delay, it is necessary to calculate this delay. In network calculus, for the above types of arrival curve and the curve of the type "rate-delay" (service curve), the formula for calculating the maximum delay of the bit stream in the node is known:

Однако в (11) не учтено время задержки на формирование одного Ethernet фрейма, которое может быть определено как отношение размера фрейма (который состоит из Lпл - размер полезной части фрейма и Lсл - размер служебной части фрейма) к скорости обработки трафика устройством:However, (11) does not take into account the delay time for the formation of one Ethernet frame, which can be defined as the ratio of the frame size (which consists of L pl - the size of the useful part of the frame and L sl - the size of the service part of the frame) to the speed of traffic processing by the device:

Также не учтено возрастание пиковой скорости потока (Р) при использовании фреймов маленького размера, из-за увеличения избыточности, вызванной появлением большего количества служебных данных. Учесть данное увеличение Р возможно введением коэффициента:Also not taken into account is the increase in peak flow rate (P) when using small frames, due to the increase in redundancy caused by the appearance of a larger amount of service data. It is possible to take into account this increase in P by introducing the coefficient:

Подставив выражения (13)и(12)в(11), получим выражение:Substituting expressions (13) and (12) into (11), we obtain the expression:

Так как функция задержки от размера полезной части Ethernet фрейма имеет экстремум (фиг. 2 - зависимость максимальной сквозной задержки от размера полезной части фрейма при передаче фрактального агрегированного потока), то поиск решения для вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма сводится к нахождению значения Lпл при котором первая производная выражения (14) равна нулю. В результате громоздких алгебраических преобразований решение таково:Since the delay function of the useful part size of an Ethernet frame has an extremum (Fig. 2 - dependence of the maximum end-to-end delay on the useful part size of a frame when transmitting a fractal aggregate flow), the search for a solution for calculating the optimal useful part size of an Ethernet frame is reduced to finding the value of L pl at which the first derivative of expression (14) is equal to zero. As a result of cumbersome algebraic transformations, the solution is as follows:

Однако, полученная нами кривая остаточного обслуживания узлов телекоммуникационного оборудования для интересующего целевого агрегата фрактального трафика не всегда будет вида «скорость-задержка». Кривая остаточного обслуживания может иметь вид многоступенчатой псевдоаффинной кривой. В этом случае максимальная задержка фреймов за время t определяется как:However, the residual service curve of the nodes of telecommunication equipment obtained by us for the target aggregate of fractal traffic of interest will not always be of the "speed-delay" type. The residual service curve can have the form of a multi-stage pseudo-affine curve. In this case, the maximum frame delay over time t is determined as:

Вычисление задержки для каждого возможного размера полезной части Ethernet фрейма и их дальнейшее сравнение с использованием выражения (15) может занять неприемлемо много времени.Calculating the delay for each possible Ethernet frame payload size and then comparing them using expression (15) can take an unacceptably long time.

Избежать этого возможно следующим образом.This can be avoided in the following way.

Приведем кривую остаточного обслуживания, полученную для интересующего агрегата трафика, к виду «скорость-задержка» путем усреднения. Для этого сложим все значения кривой не равные 0 и разделим на количество таких значений, получив среднюю скорость обслуживания. Подставив эту скорость в выражение (8) получим усредненную кривую остаточного обслуживания узлов телекоммуникационного оборудования для интересующего целевого агрегата фрактального трафика. Подставив ее параметры в выражение (15) можно найти квазиоптимальное решение.Let us reduce the residual service curve obtained for the traffic aggregate of interest to the "speed-delay" form by averaging. To do this, we add up all the curve values that are not equal to 0 and divide by the number of such values, obtaining the average service speed. Substituting this speed into expression (8), we obtain the average residual service curve of the nodes of telecommunications equipment for the target fractal traffic aggregate of interest. Substituting its parameters into expression (15), we can find a quasi-optimal solution.

Вычислив квазиоптимальное решение, находим оптимальное решение на множестве целых чисел с использованием метода последовательных приближений.Having calculated the quasi-optimal solution, we find the optimal solution on the set of integers using the method of successive approximations.

Для этого находим dmax при размере полезной части Ethernet фрейма на 1 байт больше квазиоптимального значения, полученного ранее. Если полученное значение dmax будет меньше, чем полученное при вычисленном квазиоптимальном размере фрейма, продолжаем увеличивать размер полезной части Ethernet фрейма, пока значение dmax не начнет возрастать. Если при первом увеличении размера полезной части Ethernet фрейма значение dmax увеличилось, то для нахождения оптимального решения уменьшаем размер полезной части Ethernet фрейма на 1 байт.Повторяем это действие пока dmax не начнет возрастать. Если при первичном увеличении размера полезной части Ethernet фрейма, а затем и при первичном уменьшении полезной части, значения dmax будут превышать уже вычисленное, то найденное решение уже является оптимальным.To do this, we find d max when the useful part size of the Ethernet frame is 1 byte larger than the quasi-optimal value obtained earlier. If the obtained value of d max is smaller than that obtained with the calculated quasi-optimal frame size, we continue to increase the useful part size of the Ethernet frame until the value of d max starts to increase. If the value of d max increases with the first increase in the useful part size of the Ethernet frame, then to find the optimal solution, we decrease the useful part size of the Ethernet frame by 1 byte. We repeat this action until d max starts to increase. If, with the initial increase in the useful part size of the Ethernet frame, and then with the initial decrease in the useful part, the values of d max exceed the already calculated one, then the solution found is already optimal.

Этот подход позволяет существенно уменьшить вычислительные затраты и время нахождения оптимального решения по сравнению с полным перебором размера полезной части Ethernet фрейма и применением для каждой итерации выражения (16).This approach allows to significantly reduce computational costs and the time for finding the optimal solution compared to a complete enumeration of the size of the useful part of the Ethernet frame and the application of expression (16) for each iteration.

10. Передают в устройство 3 пакетирования значение оптимального размера полезной части Ethernet фрейма, полученное в блоке 5 вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма.10. The value of the optimal size of the useful part of the Ethernet frame obtained in block 5 for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame is transmitted to the packaging device 3.

11. Формируют в устройстве 3 пакетирования Ethernet фреймы из нескольких IP пакетов в соответствии с очередностью приоритетного обслуживания IP пакетов и равенством оптимальному размеру Ethernet фрейма.11. Form Ethernet frames from several IP packets in the device 3 for packaging in accordance with the order of priority servicing of IP packets and equality to the optimal size of the Ethernet frame.

При этом в общем случае размер Ethernet фрейма будет отличаться от оптимального. Решение о помещении очередного IP пакета во фрейм принимается на основании критерия минимума модуля разности оптимального и формируемого Ethernet фрейма по выражению видаIn this case, in general, the size of the Ethernet frame will differ from the optimal one. The decision to place the next IP packet into the frame is made based on the criterion of the minimum modulus of the difference between the optimal and the generated Ethernet frame according to an expression of the form

При равенстве полученных модулей очередной IP пакет включается в Ethernet фрейм, т.к. функция dmax от размера полезной части Ethernet фрейма с увеличением аргумента возрастает с меньшей скоростью (фиг. 2).If the received modules are equal, the next IP packet is included in the Ethernet frame, since the function d max of the size of the useful part of the Ethernet frame increases at a lower rate with an increase in the argument (Fig. 2).

12. Производят постоянную адаптацию размера Ethernet фрейма к текущей статистике входного потока.12. Perform continuous adaptation of the Ethernet frame size to the current statistics of the input stream.

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием возможности реализовать его с использованием, как программируемых интегральных схем, так и с помощью программы в операционной системе соответствующего телекоммуникационного оборудования (управляемого коммутатора, маршрутизатора и т.д.).The “industrial applicability” of the method is determined by the possibility of implementing it using both programmable integrated circuits and a program in the operating system of the corresponding telecommunications equipment (controlled switch, router, etc.).

Сопоставление заявленного Способа оптимального формирования фрейма канального уровня для фрактального агрегированного трафика в мультисервисной сети передачи данных по критерию минимума сквозной задержки с прототипом показывает, что заявленный способ существенно отличается от прототипа.A comparison of the claimed Method for optimal formation of a channel-level frame for fractal aggregated traffic in a multiservice data transmission network based on the criterion of minimum end-to-end delay with the prototype shows that the claimed method differs significantly from the prototype.

Общие признаки заявляемого способа и прототипа:General features of the claimed method and prototype:

1. Используют для определения сквозной задержки подходы алгебраического анализа детерминированного сетевого исчисления.1. Use deterministic network calculus algebraic analysis approaches to determine end-to-end delay.

2. Учитывают фрактальную природу передаваемого телекоммуникационного трафика.2. Take into account the fractal nature of the transmitted telecommunication traffic.

3. Используют механизм пакетирования.3. Use a packaging mechanism.

4. Передают и принимают пакетированный поток.4. Transmit and receive a packet stream.

5. Учитывают характеристики входного потока.5. Take into account the characteristics of the input flow.

6. Учитывают характеристики канала передачи данных. Отличительные признаки предлагаемого решения.6. Take into account the characteristics of the data transmission channel. Distinctive features of the proposed solution.

1. Учитывают фрактальную природу каждого микропотока входящего в состав целевого агрегата потоков.1. Take into account the fractal nature of each microflow included in the target aggregate of flows.

2. Производят усреднение кривой остаточного обслуживания для сокращения времени нахождения оптимального размера Ethernet фрейма.2. Perform averaging of the residual service curve to reduce the time to find the optimal Ethernet frame size.

3. Производят методом последовательных приближений нахождение оптимального размера Ethernet фрейма для реальной кривой поступления.3. Using the method of successive approximations, find the optimal Ethernet frame size for the real arrival curve.

4. Формируют Ethernet фрейм из нескольких IP пакетов.4. Form an Ethernet frame from several IP packets.

5. Принимают решение о помещении очередного IP пакета во фрейм на основании критерия минимума модуля разности оптимального и формируемого Ethernet фрейма.5. A decision is made about placing the next IP packet into the frame based on the criterion of the minimum modulus of the difference between the optimal and the generated Ethernet frame.

6. Передают любые типы трафика.6. Transmit any type of traffic.

7. Адаптируют размер Ethernet фрейма под состояние канала связи в режиме близкому к реальному времени.7. Adapt the Ethernet frame size to the state of the communication channel in near real time.

Таким образом, заявленный Способ оптимального формирования фрейма канального уровня для фрактального агрегированного трафика в мультисервисной сети передачи данных по критерию минимума сквозной задержки позволяет минимизировать сквозную задержку доставки телекоммуникационного трафика с учетом времени на формирование одного Ethernet фрейма и с учетом возрастания пиковой скорости потока при использовании фреймов маленького размера, из-за увеличения избыточности, вызванной появлением большего количества служебных данных. При этом обеспечивается адаптивность.Thus, the claimed Method of optimal formation of a channel-level frame for fractal aggregated traffic in a multiservice data transmission network according to the criterion of minimum end-to-end delay allows minimizing the end-to-end delay of delivery of telecommunication traffic taking into account the time for the formation of one Ethernet frame and taking into account the increase in the peak flow rate when using small-sized frames, due to the increase in redundancy caused by the appearance of a larger amount of service data. At the same time, adaptability is ensured.

Claims (1)

Способ оптимального формирования фрейма канального уровня для фрактального агрегированного трафика в мультисервисной сети передачи данных по критерию минимума сквозной задержки, заключающийся в том, что: собирают непрерывно статистику о структуре сети и передаваемых потоках на сервере контроля информационного обмена; передают весь входной трафик через устройство пакетирования получателю; собирают в устройстве пакетирования статистику о входных Ethernet фреймах; анализируют в блоке вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма статистику информационного обмена и определяют показатель Харста, оценку математического ожидания и среднеквадратического отклонения интенсивности входного потока в режиме реального времени для текущего объема статистики; определяют в блоке вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма суммарную среднюю скорость всего агрегированного потока; определяют в блоке вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма берстность для кривой поступления агрегированного трафика; запрашивают с сервера контроля информационного обмена данные о структуре сети и передаваемых в ней потоках; рассчитывают в блоке вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма параметры кривой остаточного обслуживания на маршруте следования агрегированного трафика; формируют в устройстве пакетирования Ethernet фреймы; производят постоянную адаптацию, отличающийся тем, что: передают весь входной трафик от источника через устройство пакетирования получателю с учетом текущего оптимального размера Ethernet фрейма, полезная часть которого в начальный момент времени принимается равной размеру пакета сетевого уровня; собирают в устройстве пакетирования статистику о времени поступления, размере, источнике, получателе и типе трафика входных Ethernet фреймом и передают ее в блок вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма; определяют в блоке вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма суммарную среднюю скорость всего агрегированного потока на перспективу с учетом текущей фрактальности его микропотоков; рассчитывают в блоке вычисления оптимального размера полезной части Ethernet фрейма оптимальный размер Ethernet фрейма; передают в устройство пакетирования значение оптимального размера полезной части Ethernet фрейма; формируют в устройстве пакетирования Ethernet фреймы из нескольких IP-пакетов в соответствии с очередностью приоритетного обслуживания IP-пакетов и равенством оптимальному размеру Ethernet фрейма; производят постоянную адаптацию размера Ethernet фрейма к текущей статистике входного потока.A method for optimally forming a data link layer frame for fractal aggregated traffic in a multiservice data transmission network based on the criterion of minimum end-to-end delay, comprising the following: continuously collecting statistics on the network structure and transmitted flows on the information exchange control server; transmitting all input traffic through the packetizing device to the recipient; collecting statistics on input Ethernet frames in the packetizing device; analyzing the information exchange statistics in the block for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame and determining the Hurst index, an estimate of the mathematical expectation and the standard deviation of the intensity of the input flow in real time for the current volume of statistics; determining the total average speed of the entire aggregated flow in the block for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame; determining the burstiness for the aggregated traffic arrival curve in the block for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame; requesting data on the network structure and the flows transmitted in it from the information exchange control server. calculate in the block for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame the parameters of the residual service curve on the route of the aggregated traffic; form Ethernet frames in the packaging device; perform continuous adaptation, characterized in that: transmit all the input traffic from the source through the packaging device to the recipient taking into account the current optimal size of the Ethernet frame, the useful part of which at the initial moment in time is taken to be equal to the size of the network layer packet; collect in the packaging device statistics on the time of receipt, size, source, recipient and type of traffic of the input Ethernet frame and transmit it to the block for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame; determine in the block for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame the total average speed of the entire aggregated flow for the future taking into account the current fractality of its microflows; calculate in the block for calculating the optimal size of the useful part of the Ethernet frame the optimal size of the Ethernet frame; transmit to the packaging device the value of the optimal size of the useful part of the Ethernet frame; Form frames from several IP packets in the Ethernet packetization device in accordance with the order of priority servicing of IP packets and equality to the optimal Ethernet frame size; continuously adapt the Ethernet frame size to the current statistics of the input stream.
RU2024101531A 2024-01-23 Method for optimal formation of link layer frame for fractal aggregated traffic in multiservice data network based on criterion of minimum end-to-end delay RU2832625C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2832625C1 true RU2832625C1 (en) 2024-12-26

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8356327B2 (en) * 2004-10-30 2013-01-15 Sharp Laboratories Of America, Inc. Wireless video transmission system
RU203223U1 (en) * 2020-09-22 2021-03-26 Анатолий Николаевич Мартьянов DEVICE FOR CALCULATING THE OPTIMAL PACKET SIZE BY CRITERION OF MINIMUM DELAY AND MESSAGE TRANSMISSION TIME DIFFERENCE
RU2764784C1 (en) * 2021-03-15 2022-01-21 Федеральное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МО РФ Method for minimising the latency with guaranteed transmission of a packeted smoothed stream of digital compressed images
RU2804500C1 (en) * 2023-06-08 2023-10-02 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МО РФ Method for reserving bandwidth for aggregated fractal traffic with adaptation to the current load

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8356327B2 (en) * 2004-10-30 2013-01-15 Sharp Laboratories Of America, Inc. Wireless video transmission system
RU203223U1 (en) * 2020-09-22 2021-03-26 Анатолий Николаевич Мартьянов DEVICE FOR CALCULATING THE OPTIMAL PACKET SIZE BY CRITERION OF MINIMUM DELAY AND MESSAGE TRANSMISSION TIME DIFFERENCE
RU2764784C1 (en) * 2021-03-15 2022-01-21 Федеральное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МО РФ Method for minimising the latency with guaranteed transmission of a packeted smoothed stream of digital compressed images
RU2804500C1 (en) * 2023-06-08 2023-10-02 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МО РФ Method for reserving bandwidth for aggregated fractal traffic with adaptation to the current load

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7046631B1 (en) Method and apparatus for provisioning traffic dedicated cores in a connection oriented network
Charny et al. Delay bounds in a network with aggregate scheduling
US7889661B2 (en) Constrained multipath routing method in a multi-protocol label switching (MPLS) network
US6765873B1 (en) Connections bandwidth right sizing based on network resources occupancy monitoring
US7161902B2 (en) Reducing network traffic congestion
CA2164489A1 (en) Traffic management and congestion control for packet-based networks
CA2230633A1 (en) Multi-class connection admission control method for asynchronous transfer mode (atm) switches
EP1365545A1 (en) Method and system for modelling elastic network traffic
US6985442B1 (en) Technique for bandwidth sharing in internet and other router networks without per flow state record keeping
US6597662B1 (en) Apparatus and method for optimizing max-min fair rate control in ABR sessions
RU2832625C1 (en) Method for optimal formation of link layer frame for fractal aggregated traffic in multiservice data network based on criterion of minimum end-to-end delay
CN115174445B (en) Delay upper bound analysis method for data frames in ARINC664 switch network
Yeznabad et al. Cross-layer joint optimization algorithm for adaptive video streaming in mec-enabled wireless networks
Elloumi et al. A simulation-based study of TCP dynamics over HFC networks
Dán et al. Packet size distribution: an aside?
KR20030027496A (en) Quality of Service control system and method for video service using dynamic resource allocation
CN115733755B (en) A data center transmission control system and method capable of filling network bandwidth
CN114157610B (en) High-speed network protocol system and transmission method suitable for block chain network
KR20050099241A (en) An apparatus for schedualing capable of providing guaranteed service for edge-node and a method thereof
Engan et al. Selective truncating internetwork protocol: experiments with explicit framing
AlWehaibi et al. Performance behavior evaluation of Internet congestion control policing mechanisms
US20020178287A1 (en) Method and system for assigning circuits to a new service request in a communications network
Blefari-Melazzi et al. A scalable CAC technique to provide QoS guarantees in a cascade of IP routers
Prithviraj et al. A virtual loss-load congestion control strategy for high speed networks
CN114726760A (en) Software defined network performance upper bound analysis method based on network calculus