Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время происходит существенное увеличение доли услуг передачи мультимедийных потоковых данных режима реального времени в общем объеме Интернет-трафика. Для информационных потоков, таких как, например, аудио и/или видео, характерна все большая потребность в высокой скорости передачи. Развитие услуг передачи потоковых данных по унифицированным ГР-сетям (услуг вещания) с каждым годом принимает все более важное значение. Как мировое, так и российское научное сообщество уделяют большое внимание проблемам построения, разработки и исследования сетей групповой передачи мультимедийных потоковых данных и их алгоритмов функционирования.
Для решения задачи перевода услуг вещания на IP-протокол в глобальных сетях используется подход, идея которого развивается мировым научным сообществом в течение последних нескольких лет, называемый peer-to-peer вещание (Р2Р, вещание в одноранговых сетях), где IP-сеть не подвергается каким-либо изменениям. Все узлы сети работают как клиент и сервер одновременно за счёт установки специального программного обеспечения. Значительно снижается нагрузка на центральный сервер, данные от него передаются только нескольким хостам, которые, в свою очередь, передают данные другим. На сетевом уровне IP-пакеты доставляются от источника группе получателей отдельными информационными потоками, каждый в режиме одноадресной передачи. Однако задачи групповой маршрутизации информационных сегментов, которые называются чанками, возлагаются на прикладной уровень, то есть реализуются исключительно программными средствами пользовательских терминалов. Такой подход позволяет обеспечить передачу потоковой информации в глобальных сетях для большой группы пользователей.
При внезапном отключении узлов, а также при переключении клиента на другой информационный канал возникает проблема устойчивости передачи информации в сети, когда все последующие узлы в создаваемой цепочке также подвергаются длительным отключениям и, соответственно, интенсивным потерям чанков до момента нахождения ими нового узла. Это приводит к существенному ухудшению качества обслуживания. Для решения этой проблемы необходимо проведение поисковых научно-исследовательских работ. Разработка новых моделей и алгоритмов, а также исследование их эффективности позволят предложить разработчикам сетевых протоколов прикладного уровня инновационные механизмы повышения качества передачи потоковых данных в глобальных сетях Интернет. Это, в свою очередь, должно ускорить развитие и реализацию новых подходов, как для построения современных сетей, так и для внедрения новых и востребованных высококачественных услуг вещания для различных сфер социально-экономической деятельности.
Степени разработанности темы. Существенный вклад в исследование и моделирование передачи потоковых данных в одноранговых сетях внесли Кі-nicki R., Claypool M., Loguinov D., Юеіпгоск L., Huahui Wu, Ross K.W., Clevenot ,^ / F., Nain Ph., Deshpande H., Bawa M., Kang S., Самуйлов K.E., Кучерявый A.E. v/ X. многие другие. Методы повышения качества передачи потоковых данных ct -. 3
применением избыточности рассматривались в работах авторов Dan G., Bolot J-С, Fodor V., Karlsson G., Sanchez I.S. Разработкой Р2Р-приложений для передачи потоковых данных занимались Jannotti J., Gifford D., Johnson К., Castro M, Druschel P. Развитием теоретической и практической базы помехоустойчивого кодирования занимались российские академики и ученые: Котельников В.А., Финк Л.М., Жижченко А.Б., Бородакий Ю.В.
Целью работы является повышение качества обслуживания в одноранговых сетях передачи потоковых данных с многослойной древовидной топологией за счет применения адаптивного управления коррекцией потерь чанков.
Для достижения этой цели в диссертации решены следующие задачи исследования.
-
Разработка математической модели, описывающей процессы передачи и обслуживания мультимедийного трафика реального времени в одноранговых сетях с топологией многослойного дерева.
-
Разработка алгоритмов оценки и адаптивного управления коррекцией потерь чанков в одноранговых сетях с многослойной древовидной топологией, позволяющих повысить качество передачи потоковых данных в сети Интернет.
-
Сравнительный анализ эффективности предложенных и существующих алгоритмов управления передачей потоковых данных в одноранговых сетях с многослойной древовидной топологией.
-
Разработка экспериментального однорангового приложения для потокового вещания в режиме реального времени, позволяющего оценивать качество передаваемых потоковых данных.
При решении поставленных задач использовались следующие методы исследования: методы математического моделирования, теории вероятности и случайных процессов, теории оценки и управления, имитационного моделирования.
Объектом исследования является одноранговая сеть с многослойной древовидной топологией для передачи потоковых данных в реальном режиме времени.
Предметом исследования являются теоретические и практические задачи повышения качества функционирования одноранговых сетей передачи потоковых данных за счет снижения коэффициента потерь чанков.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
-
Разработаны математические модели передачи потоковых данных в одноранговых сетях с древовидной топологией с учётом граничных условий, отличающиеся от существующих тем, что описывают процесс передачи данных дискретно во времени и позволяют использовать алгоритмы оценки и адаптивного управления с учётом обратной связи (ОС).
-
Разработаны алгоритмы адаптивного изменения количества избыточных чанков в зависимости от коэффициента потерь чанков, такие как пороговый, интегральный пропорциональный и интегральный пороговый, позволяющие снизить коэффициент потерь чанков.
-
Разработанные алгоритмы оценки качества передачи потоковых данных адаптированы для применения на прикладном уровне одноранговой сети и позволяют эффективно использовать алгоритмы адаптивного управления.
4. Получены методы реализации одноранговых сетей, позволяющие использовать алгоритмы оценки и адаптивного управления передачей потоковых данных на прикладном уровне.
Практическая ценность и реализация работы заключается в том, что:
-
Использование предложенных моделей позволяет разрабатывать алгоритмы адаптивного управления, обеспечивающие повышение качества передачи данных реального времени вне зависимости от протоколов, используемых на нижних уровнях.
-
Предложенные алгоритмы адаптивного управления качеством групповой передачи потоковых данных обладают улучшенными характеристиками по сравнению с существующими алгоритмами в условиях высокого уровня потерь чанков и большого количества пользователей в сети.
-
Предложенный вариант реализации однорангового приложения позволяет имитировать потери чанков и производить измерение их интенсивности, что обеспечивает возможность оценки эффективности алгоритмов адаптивной коррекции.
-
Результаты диссертационной работы использованы в ОП ООО «Д-Линк Раша» в г. Ижевске, а также в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова», что подтверждается соответствующими актами.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Предложенные математические модели, достоверно описывающие процессы групповой передачи потоковых данных в одноранговых сетях с многослойной древовидной топологией с учётом обратной связи и коррекции потерь чанков.
-
Разработанные алгоритмы оценки потерь чанков, учитывающие обратную связь и позволяющие применять алгоритмы адаптивного управления качеством обслуживания в сети.
-
Разработанные алгоритмы адаптивной коррекции потерь чанков (пороговый, интегральные алгоритмы), в несколько раз снижающие коэффициент потерь чанков в зависимости от условий функционирования одноранговой сети (уровня потерь чанков, интенсивности отключений узлов сети).
-
Сравнительные характеристики качества обслуживания для одноранговых сетей, полученные методом имитационного моделирования, показывающие преимущество в корректирующей способности разработанных алгоритмов над пропорциональным в условиях высоких потерь чанков.
-
Разработанное программное приложение, обеспечивающее трансляцию потоковых данных в режиме реального времени, позволяющее проводить оценку характеристик качества сети и задавать уровень потерь в сети.
Достоверность и обоснованность научных результатов работы подтверждается адекватностью применяемых для исследования математических методов, соответствием результатов имитационного моделирования выдвигаемым положениям, апробацией созданного научно-технического продукта в виде программного обеспечения, а также сравнительным анализом предложенных и существующих алгоритмов адаптивного управления. Достоверность экспери-
ментальных результатов обеспечена экспериментальными тестами, статистическими методами обработки данных.
Работа соответствует паспорту специальности 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций в областях: «11. Разработка научно-технических основ технологии создания сетей, систем и устройств телекоммуникаций и обеспечения их эффективного функционирования» и «14. Разработка методов исследования, моделирования и проектирования сетей, систем и устройств телекоммуникаций».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Втором форуме молодых учёных «Education Quality - 2010» (Ижевск, 2010 г.), VI Всероссийской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2010 г.), научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (Ижевск, 2011 г.), 6-й отраслевой научно-технической конференции «Технологии информационного общества» (Московский технический университет связи и информатики, 2012 г.), научном межвузовском семинаре «Современные телекоммуникации и математическая теория телетрафика» (г. Москва, РУДН, 2012 г.).
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии во всех этапах исследования, включая разработку математических моделей передачи потоковых данных, алгоритмов адаптивного управления коррекцией потерь чанков, проведение имитационного моделирования и разработку программного приложения. Все основные научные положения, выводы и рекомендации, составляющие содержание диссертации, разработаны автором лично.
Публикации. По основным теоретическим и практическим результатам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАК Минобрнауки России для публикации результатов диссертационных исследований.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 74 рисунка и 4 таблицы. Список литературы включает 123 наименования.
