Введение к работе
Актуальность темы исследования
Современное развитие информационных технологий серьезным образом влияет на все сферы жизнедеятельности человека, и особенно на способы коммуникаций. Увеличение пропускной способности сетей связи и повышение вычислительной мощности абонентских терминалов привело к широкому распространению видеотелефонии и видеоконференцсвязи (ВКС) [1].
Видеоконференцсвязь — это телекоммуникационная технология интерактивного взаимодействия двух и более удаленных абонентов, при которой между ними возможен обмен аудио- и видеоинформацией в реальном масштабе времени. Спектр применения данной технологии очень широк: простое общение группы людей, производственные совещания, дистанционное обучение, удаленные презентации и т.п.
Передача мультимедийной информации в режиме реального времени, необходимой для проведения многоточечной ВКС (МВКС), представляет собой сложную техническую задачу. Для её успешного решения необходимо выполнить ряд жестких требований: небольшое число потерянных пакетов, малое время задержки при доставке сигнала, возможность передачи больших потоков информации и т.п. Невыполнение одного из этих требований может привести к неудовлетворительной работе всей системы ВКС.
Для выполнения установленных требований для разного количества участников необходимо обеспечить баланс информационных потоков с учетом характеристик всех каналов и устройств в сети. При проведении сессии ВКС крупного масштаба от 20 участников с использованием централизованного подхода вся нагрузка на обеспечение качественной связи ложится на MCU (Media Control Unit - сервер многоточечной ВКС), что требует высокопроизводительного оборудования, обладающего высокой стоимостью и высокопроизводительные каналы связи.
Децентрализованная система ВКС позволяет распределить нагрузку на все элементы пропорционально их ресурсам и характеристикам, тем самым увеличивая масштабируемость и уменьшая стоимость такого решения. Исследования, проведенные в данном направлении, показали, что наилучших результатов можно добиться при организации многоточечной ВКС на основе децентрализованных самоорганизующихся сетей и специальных алгоритмов построения топологии сети на прикладном уровне модели OSI (NICE, SAHC, ZigZag). Главным достоинством таких алгоритмов является отсутствие необходимости поддержки протоколов прикладного уровня на сетевом оборудовании и высокая степень масштабируемости. Однако большинство из этих алгоритмов используют один узел в виде центрального элемента, и информационный поток передается по одному маршруту на все узлы сети, что негативно сказывается на характеристиках работы системы в случае проведения сессии крупной многоточечной ВКС от двадцати участников.
В настоящее время использование таких алгоритмов достаточно широко изучено. Первые теоретические работы опубликованы Коммаредди, Вангом, Кастро
и др. В последние годы наблюдается бурный рост активности разработок в этой отрасли, в связи с увеличением рынка мобильных устройств, позволяющих участвовать в МВКС. В связи с этим, применение современных алгоритмов сжатия информации в совокупности с новейшими разработками в области передачи информации по различным каналам связи позволяет использовать данную услугу на широком множестве устройств и платформ.
Анализ существующих алгоритмов свидетельствует о том, что одни используют насыщение ветвей графа сети, обеспечивая баланс потоков, минимизируя время доставки пакета, а другие - учитывают количество потерянных пакетов и время доставки пакета, но не обеспечивают равномерной загрузки сети. Во всех рассмотренных алгоритмах используются аддитивные сверки различных метрик, характеризующих качество обслуживания, но они не учитывают характер трафика ВКС.
Таким образом, актуальной является задача разработки алгоритма построения логической топологии IP-сети с использованием новой метрики для организации МВКС на прикладном уровне.
Целью диссертационного исследования является разработка и исследование алгоритма построения логической топологии IP-сети на основе множественных деревьев для улучшения функционирования системы многоточечной ВКС (МВКС).
Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи.
-
Разработка новой метрики расчета топологии сети ВКС, состоящей из трех критериев и учитывающей рекомендации МСЭ.
-
Разработка методики определения количества суперузлов для распределения информации в сети.
-
Разработка алгоритма на основе множественных деревьев для организации системы МВКС, использующего полученную метрику и методику.
-
Исследование сетевых характеристик получаемого решения и его м ас штаб и ру е м ости.
Объектом исследования являются распределенные системы МВКС в ІР-сетях на прикладном уровне.
Предметом исследования является разработка алгоритма построения логической топологии сети на основе множественных деревьев в распределенных системах МВКС
Методы исследования
При решении поставленных задач использовались теория телетрафика, элементы теории графов, комбинаторного анализа, компьютерного моделирования, теория построения телекоммуникационных сетей, методы математического анализа, теория потоков в сетях, теория оптимальных иерархических структур.
Научная новизна представляемых результатов состоит в следующем:
1. Предложена метрика расчета стоимости связей в распределенных системах на основе времени задержки сигнала, количества потерянных пакетов и используемой полосой пропускания, в соответствии с Рекомендациями Международного Союза Электросвязи (МСЭ).
-
Определены характеристики логической топологии сети, влияющие на достижение необходимо уровня качества работы системы МВКС. Показано, что использование данных характеристик повышает эффективность применения множественных деревьев для организации МВКС.
-
Разработан алгоритм построения логической топологии распределенной IP-сети на прикладном уровне для организации МВКС.
-
Разработана методика определения числа суперузлов на основе значений метрики расчета стоимости связей.
Практическая значимость
-
Разработан новый алгоритм построения логической топологии IP-сети на основе множественных деревьев, уменьшающий количество потерянных пакетов, среднюю задержку сигнала и увеличение эффективной ширины полосы пропускания. Данный алгоритм может быть использован в системах передачи мультимедийной информации, связи, протоколах маршрутизации, а также в ряде других прикладных задач систем передачи информации.
-
Создана модель распределенной сети для организации МВКС, позволяющая задавать большое число характеристик каналов связи, изменять топологию сети для нескольких суперузлов, задавать тип очереди на узле связи и т.д.
-
Получено свидетельство на программный продукт для анализа работы телекоммуникационных сетей и прогнозирования качества обслуживания -Unitracer, зарегистрированный в Реестре программ для ЭВМ.
Разработанные методики и алгоритмы требуют для их практической реализации относительно небольших вычислительных ресурсов, что позволяет использовать их для работы в системах реального времени.
Результаты работы внедрены в соответствующие разработки предприятия ООО «Медиа-мир», г. Ярославль. Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ЯрГУ им. П.Г. Демидова в рамках дисциплин «Системы коммутации», «Сети связи».
Личный вклад автора.
Выносимые на защиту положения предложены автором в ходе выполнения научно-исследовательских работ на кафедре динамики электронных систем Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова. Практическая реализация методов и моделирование на ЭВМ проводилась коллективом исследователей при личном участии автора.
Достоверность полученных научных результатов обусловлена применением адекватного математического аппарата и совпадением теоретических и экспериментальных значений. Результаты исследований согласуются с известными результатами других исследований по данной тематике.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических семинарах и конференциях.
12-ой, 14-ой Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». Москва, 2010, 2012.
21-ой Международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии». Москва, 2013.
12-ой Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Санкт-Петербург, 2012.
13-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы развития и применения средств ПВО в современных условиях». Ярославль, 2012.
ІХ-ой Международной научно-технической конференции «Техника и технология: Новые перспективы развития». Москва, 2011.
Публикации по работе
По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 10 докладов на научных конференциях, получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников, содержащего 112 наименования, и приложения. Она изложена 119 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка и 8 таблиц.
На защиту выносятся
-
Метрика, характеризующая канал связи на основе данных по количеству потерянных пакетов, задержке сигнала и ширине полосы пропускания в соответствии с рекомендациями МСЭ.
-
Методика определения числа суперузлов на основе значений метрики расчета стоимости связей.
-
Алгоритм построения логической топологии IP-сети на прикладном уровне модели OSI на основе множественных деревьев, с использованием предложенной методики и метрики для организации системы многоточечной ВКС.
