Анализ качественных показателей сети по доставке контента в системе GPSS

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
РЕКЛАМНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ
Анализ качественных показателей сети по доставке
контента в системе GPSS
.32453246.00170-01 99 01
Листов 8
Разработчики:
______________/ Винтураль К.П./
_____________/ Пономарёв Д.Ю./
10.09.2009
Красноярск 2009
<пусто>
2
.32453246.00170-01 99 01
1. Функциональное назначение программы, область её
применения, её ограничения
1.1. Назначение программы
В последнее время в сети Интернет всё большую популярность
наряду с классическими услугами связи получают мультимедийные
услуги. К реализациям классических услуг, по причине очень высокой
популярности, как в России, так и за рубежом, можно отнести, в первую
очередь, передачу телефонных разговоров через Интернет (Voice over IP),
а к мультимедийным услугам – «потоковое видео» (Streaming Video),
«Интернет-радио» (Internet Radio), «интерактивные игры» (Interactive
Games) и т.п. Требования к доставке информации (пакетов) для всех этих
новых услуг в сети Интернет существенно отличаются от требований
предъявляемым к обычным услугам передачи данных.
Для большинства мультимедийных услуг критичными являются такие
качественные показатели сети, как задержка пакета от пользователя до
пользователя, либо от сервера до пользователя, её дисперсия (джиттер), а
также вероятность потери пакета. Под задачей обеспечения качества
обслуживания (или, другими словами, предоставление гарантий по
параметрам качества обслуживания), как правило, понимается соблюдение
заданных значений этих параметров.
Сейчас всем известна проблема задержек, возникающих в
Интернете, из-за которых пользователю приходится долго ожидать
появления необходимой ему информации. Особенно заметно, когда
необходимо получить различные виды мультимедиа. Основной причиной
задержек является то, что Интернет представляет собой совокупность
связанных между собой множества сетей. Прежде чем запрос о загрузке
той или иной Web-страницы попадет на соответствующий Web-сайт, он
может пересечь несколько сетей. В этих сетях Интернет-провайдеры
принимают пакеты из чужих сетей. Здесь могут возникать большие
очереди и сильное переполнение, что приводит к росту задержек и потере
пакетов. Также еще одной причиной возникновения заторов является
недостаточная производительность серверов, на основе которых
организуются информационные сайты. Что приводит к значительному
увеличению задержки и вероятности потерь пакетов.
Эти проблемы легко разрешимы при использовании сети по
доставке контента CDN (Content Delivery Networks). Сети по доставке
контента предлагают модель распространения данных, которая экономит
ресурсы Интернета и время. Услуги таких сетей основаны на
кэшированных решениях, предназначенных для перемещения информации
ближе к конечным пользователям. Сеть CDN предлагает сайтам
платформу, состоящую из нескольких тысяч узлов, разбросанных по всему
миру. Зеркально отображая и кэшируя файлы на большом количестве
серверов, рассредоточенных вдоль границы сети из коммутаторов и
маршрутизаторов, эти службы стремятся помещать потоки ближе к
конечным пользователям, направить пользователей на сайты,
3
.32453246.00170-01 99 01
расположенные вдоль внешних, менее переполненных границ сети,
предотвращая, таким образом, опасность сетевых заторов, и позволяя
осуществлять более быстрый доступ
информации. С помощью
специализированных инструментов управления информацией поставщики
CDN-услуг, управляют процессом распределения контента по всем точкам
сети по доставке контента, позволяя оптимизировать доставку.
Основная идея сети по доставке контента состоит в том, что в
инфраструктуре сети основное внимание должно быть перенесено с
сетевого уровня на контентный, т.е. на информационный. Это означает,
что функции устройств должны развиться от просто сборки и пересылки
пакетов до сборки и пересылки необходимой информации. Данная сеть
будет состоять из целого комплекса умных устройств, которые совместно
работают для оптимальной доставки контента. Например, когда
инициируется запрос, он будет направлен на устройство, которое
предоставит лучшее обслуживание в данный конкретный момент и для
данной конкретной информации. Каждый запрос будет обрабатываться
уникальным образом, в зависимости от пользователя, местоположения и
других факторов.
Показатели качества обслуживания, такие как загрузка устройств,
вероятности потерь сообщений и пакетов, интенсивность нагрузки
традиционно считаются важными направлениями в исследованиях сетей
связи и обмена данными. Эти характеристики в сетях нового поколения
трудно определить без большой погрешности, а порой и невозможно
описать традиционными моделями, используемыми в теории телетрафика.
Также принципы функционирования всех устройств коммутации в этих
сетях имеют специфику, которая обусловлена выбранной технологией
распределения информации.
В связи с этим, исследование качественных показателей является
неотъемлемой
частью
решения
задач
управления
нагрузкой,
предотвращения и борьбы с перегрузками и оптимального распределения
сетевых ресурсов. Кроме того, следует учитывать влияние качества
обслуживания трафика в сетях по доставке контента на характеристики
передачи информации. В частности, задержки пакетов приводят к
снижению качества передачи данных.
В настоящее время наиболее популярным для исследования свойств
систем массового обслуживания является метод моделирования. При этом
различают методы математического и имитационного моделирования.
Первый позволяет получить результат достаточно быстро, но при этом не
всегда достаточно точный. Следует обратить внимание на то, что данный
метод практически не применим к сложным моделям по причине
сложности математической аналитики. Метод же имитационного
моделирования позволяет получать результат с заданной точностью
практически для любых систем различной сложности.
Имитационное моделирование — это метод, позволяющий строить
модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в
4
.32453246.00170-01 99 01
действительности. Такую модель можно «проиграть» во времени как для
одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты
будут определяться случайным характером процессов. Имитационное
моделирование позволяет имитировать поведение системы во времени.
Важной особенностью является то, что временем в модели можно
управлять: замедлять в случае с быстропротекающими процессами и
ускорять для моделирования систем с медленной изменчивостью. Можно
имитировать поведение тех объектов, реальные эксперименты с которыми
дороги, невозможны или опасны.
Наиболее
распространённой
системой
имитационного
моделирования для сетей связи является GPSS (General Purpose Simulation
System - общецелевая система моделирования). В качестве объектов языка
используются аналоги таких стандартных компонентов сети, как заявки,
обслуживающие приборы, очереди и т.д. Достаточный набор подобных
компонентов позволяет конструировать сложные имитационные модели,
сохраняя привычную терминологию для сетей связи.
Компьютерная программа Анализ качественных показателей сети по
доставке контента в системе GPSS позволяет осуществлять следующие
функции:
1.
Генерировать в условиях экспериментального исследования
множество транзактов – аналогов запросов от пользователей на
получение необходимой информации.
2.
Фиксировать число потерянных транзактов в результате высокой
загрузки отдельных узлов сети.
3.
Фиксировать степень загруженности отдельных узлов сети.
4.
Определять конкретные значения коэффициента загрузки для
отдельных устройств сети, по которым определяются величина
потерь, и значения среднего времени обработки запросов в
отдельных узлах сети.
Использование данной компьютерной программы позволяет:
1.
Проводить как индивидуальные, так и массовые научные
исследования на стандартном оборудовании – персональных
компьютерах, мобильных компьютерах и т.д.
2.
Сократить время организации исследования за счет отсутствия
необходимости дополнительного установления специального
оборудования, для работы программы требуется обычный
компьютер с ОС Windows.
3.
Использовать в качестве наглядной модели имитирующей поведение
реальной или проектируемой сети.
4.
Использовать в качестве дополнительного метода исследования
сетей связи.
5.
Получить первичные данные для последующего их анализа
стандартными средствами прикладной математики (по полученным
результатам определяются необходимые качественные показатели
сети, по формулам, полученным в теории массового обслуживания).
5
.32453246.00170-01 99 01
Динамически подстраиваться под любые изменения сети, путём
корректировки значений вероятности перехода требования между
узлами сети.
7.
Улучшение характеристик и модернизация уже существующих
сетей.
1.2. Область применения программы
Компьютерная программа Анализ качественных показателей сети по
доставке контента в системе GPSS позволяет смоделировать работу сети
как проектируемой, так и существующей. С помощью данной программы
можно быстро определить основные показатели качества обслуживания
сети, зная необходимый конечный результат, который необходимо
получить. Например, если полученные параметры не удовлетворяют
значениям необходимым для качественной передачи данных (в результате
расчёта получилась большое значение задержки в узлах сети, что приведёт
к
невозможности
передачи
различного
мультимедиа
очень
чувствительного к задержкам), то исходные данные могут быть легко
скорректированы, например, изменением
вероятности перехода
требования из одной ветви в другую. В результате чего часть трафика
направляется на другие менее загруженные узлы, позволяя
оптимизировать задержку.
Данный программный продукт может применяться как в научных
исследованиях для моделирования работы сети и определения
необходимых параметров, так и в коммерческих целях для существующих
и проектируемых сетей. В существующих сетях зная необходимые
исходные данные можно легко определить объём трафика передаваемого
через различные узлы сети, а также коэффициент загрузки устройств.
Любые изменения в сети, такие, как обрыв на линии, и, как следствие,
перераспределение трафика между другими узлами, может быть легко
учтено в данной программе путём корректировки исходных данных. В
проектируемых
сетях
можно
быстро
определить
параметры
использованных устройств по необходимому конечному результату.
Например, зная тип передаваемого трафика по сети, можно определить
класс обслуживания и, соответственно, предполагаемые значения
параметров качества обслуживания. По этим данным можно легко
скорректировать начальные значения путём добавления или удаления
определённых элементов сети, а также изменяя необходимые параметры
(исходные значения), тем самым позволяя по этим параметрам легко
подобрать определённый тип и модель использованного оборудования.
1.3. Ограничения использования программы
Компьютерная программа Анализ качественных показателей сети по
доставке контента в системе GPSS может быть использована как для сети
по доставке контента, так и для любой другой сети связи. Отличия будут
состоять в количестве блоков использованных в программе. Каждый блок
в программе характеризует узел в сети. Программа может состоять из
любого количества блоков, в зависимости от количества узлов в сети.
6.
6
.32453246.00170-01 99 01
2. Техническое описание программы
2.1. Структура программного продукта
Компьютерная программа Анализ качественных показателей сети по
доставке контента в системе GPSS написана на языке программирования
высокого уровня GPSS World. Это последняя версия данного языка
программирования GPSS, обеспечивающая возможность моделирования
непрерывных процессов и одновременного и взаимодействия методов
непрерывного и дискретного моделирования. На уровне интерфейса GPSS
World представляет собой реализацию архитектуры общей для всех
приложений Windows. Объекты могут быть открыты в нескольких окнах,
изменены и сохранены на постоянных носителях информации, а также
возможность одновременного моделирования процессов в нескольких
окнах.
В результате моделирования полученный результат формируется в
виде файла с расширением «gps». При необходимости полученные
результаты могут быть скопированы в текстовый файл или приложения
Microsoft Office.
2.2. Применяемые программные средства
Для реализации компьютерной программы GPSS World используется
язык программирования низкого уровня PLUS (Programming Language with
using of Stack).
2.3. Аппаратные требования
Программа GPSS World предназначена для использования на
персональных компьютерах типа IBM PC, работающих под управлением
операционной системы Windows.
Необходимая
конфигурация
компьютера
для установки
и
запуска:
операционная система Windows 95 и более поздние версии;
процессор Pentium III и выше;
оперативная память 32 Мб и выше;
свободное пространство на жестком диске 15 Мб;
наличие клавиатуры и мыши;
CD-ROM при установке с компакт диска;
графический
адаптер
SVGA
с
видеопамятью
512
Кб
(поддерживающий разрешение не хуже 800*600*16 цветов);
цветной монитор SVGA с размером диагонали экрана 15" и более.
3.
Специальные
условия
применения
и
требования
организационного, технического и технологического характера
Компьютерная программа GPSS World работает только под
управлением операционной системы Windows (производитель Microsoft).
4. Условия передачи программной документации или ее продажи
Программная документация распространяется на основании
специального
договора,
в
соответствии
с
действующим
законодательством.
7
.32453246.00170-01 99 01
Приложение
Пример реализации программного продукта в научно-исследовательской
работе «Тензорный анализ качественных показателей сети по доставке
контента» в рамках защиты кандидатской диссертации.
Программа на языке GPSS состоит из блоков, которые имитируют
различные параметры «устройств» в модели. Как, например, ожидание,
выполнение работы и другие. Основной функцией блоков является
обработка транзактов - активных, неделимых элементов модели, таких как
вызов, заявка, пакет, момент поступления требования и т.д. К транзактам
применяются различные правила, описанные в блоках программы. В
процессе моделирования транзакты двигаются от блока к блоку, имитируя
функционирование реальной системы. Кроме блоков и транзактов в
системе GPSS имеются также устройства. Устройства – это объекты в
системе GPSS, которые имитируют состояния занятия и освобождения
реальных устройств. Возможность использовать устройства в любой
момент времени имеет только один транзакт, в этом случае можно сказать,
что устройство занято. Если в данный момент устройство не занято ни
одним транзактом, то говорят, что оно свободно.
Ниже приводится алгоритм реализации представленного продукта на
примере анализа качественных показателей для сети связи состоящей из
трёх узлов.
Сеть, состоящая из трёх узлов, в программе представлена в виде
одного обслуживающего устройства с меткой «line». Когда формируется
запрос от пользователя, он поступает в блок «ENTER line», где происходит
занятие данного устройства и осуществляется моделирование работы
данной сети. После того, как требование обработано конечными
устройствами в сети происходит освобождение обслуживающего
устройства блоком «LEAVE line» - моделирование сети закончено. Далее
происходит удаление транзакта в блоке «TERMINATE». Для увеличения
точности результатов моделирование проводится несколько раз.
Количество экспериментов определяется «числом» в блоке «GENERATE»
в конце программы. После данного блока расположен блок «TERMINATE
1» для уменьшения счётчика количества экспериментов на 1.
Запрос (транзакт) от пользователя в программе формируется блоком
«GENERATE» с интенсивностью λ. В данном блоке используется
экспоненциальный закон распределения случайной величины, так
рассматривается простейший поток требований. После чего требование
поступает в блок «TEST» (в первый узел сети в узел 1), где происходит
проверка на наличие в «буфере» устройства свободных мест. Если все K
мест заняты, то запрос переходит на метку «poteri» в блок «SAVEVALUE»
и прекращается обслуживание пользователя. Если имеется хотя бы одно
свободное место, то запрос помещается в очередь в блок «QUEUE» до тех
пор, пока устройство не будет свободным (количество обслуживающих
8
.32453246.00170-01 99 01
устройств m определяется блоком «STORAGE» в начале программы).
После того как устройство освободится транзакт поступит в блок
«ENTER» и произойдёт освобождение очереди блоком «DEPART».
Имитация обслуживания происходит в блоке «ADVANCE», в котором
транзакт задерживается на время tобсл равному реальному времени
обработки запроса маршрутизатором или иным сетевым устройством.
После имитации обслуживания происходит освобождение устройства в
блоке «LEAVE».
Когда произошло обслуживание в узле 1, требование направляется
либо к узлу 2, либо к узлу 3. Для этого в программе используется блок
«TRANSFER». Он работает в режимах вероятностного и безусловного
переходов. Если устройство промежуточное, то используется режим
вероятностного перехода. Например, требование после узла 1 поступает
либо в узел 2 с вероятностью Рпер, либо в узел 3 с вероятностью перехода 1
– Рпер. Если устройство оконечное (узлы 2 и 3) то используется режим
безусловного перехода и транзакт направляется в конец программы на
метку «end».
Далее, по полученным результатам в результате моделирования,
средствами прикладной математики определяются необходимые
качественные показатели в сети.
Для сети с большим количеством узлов программа будет выглядеть
аналогичным образом, путём добавления в программу дополнительных
блоков узлов с соответствующими блоками вероятностного и безусловного
переходов.