Аналіз навантажень при передачі медіатрафіку в каналах взаємодіючих IP-систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВСТУП

Сьогодні інформаційні та телекомунікаційні технології стають одним з основних чинників формування світової економіки. Їх розвиток і конвергенція - це крок до створення єдиної глобальної інформаційної інфраструктури, невід'ємною частиною якої є сучасні засоби створення, обробки/зберігання, доступу і передачі інформації.

Практично всі мережі є на сьогодні складеними, тобто вмістять у собі декілька мереж, кожна з яких може працювати на основі власної технології канального рівня. Це обумовлено тим, що більшість мереж створювали поступово, об'єднуючи та долучаючи щоразу більшу кількість ізольованих раніше цих сегментів.

Відносно складеної мережі вживається термін <інтермережа>, який визначає сукупність логічних мереж, що взаємодіють між собою на основі протоколів та устаткування мережевого рівня. В свою чергу інтермережу називають IP-мережею.

Мережевий рівень функціонує як координатор роботи всіх логічних мереж на шляху проходження пакету по складеній IP-мережі.

IP-мережа за функціональною ознакою є телекомунікаційною мережею,в якій передавання трафіку здійснюється IP-пакетами.

В дипломній роботі буде проведений аналіз протоколів та технології передачі відео та аудіо кодеків, проаналізовані інформаційні параметри протокольних об'єктів ІР систем, а також виконаємо дослідження надлишкової інформації стеків протоколів ІР телефонії та проведемо аналіз навантажень в каналах взаємодіючих систем при передачі кодеків.

1. АНАЛІЗ ПАРАМЕТРІВ ПРОТОКОЛІВ ТА ТЕХНОЛОГІЙ ПЕРЕДАЧІ МЕДІАТРАФІКУ

1.1 Постановка задачі

В теперішній час в IP мережах зростає обсяг передачі мультимедійного трафіку. Мультимедійний трафік це цифровий потік даних, який містить різні види повідомлень - звичайні дані та медіа дані. Мультимедійні потоки даних передаються телекомунікаційною мережею з метою надання віддалених інтерактивних послуг. Найбільш поширеними на сьогоднішній день мультимедійними послугами, наданих користувачам мережі, являються: відео телефонія, високошвидкісна передача мультимедійних даних, IP телефонія, цифрове телевізійне мовлення, мобільний відео зв'язок і цифрове відео за запитом.

Залежно від типу наданого сервісу виділяють дві основні категорії мультимедійного трафіку - трафік реального часу та трафік звичайних даних.

Трафік реального часу надають мультимедійні додатки для передачі інформації між користувачами в реальному масштабі часу.

Трафік звичайних даних утворюють традиційні розподілені послуги сучасної телекомунікаційної мережі, таких, як електронна пошта, передача файлів, віртуальний термінал, віддалений доступ до баз даних тощо. Основними мультимедійними сервісами є відео телефонія та IP телефонія.

Сервіс відео телефонії здійснює передачу голосу разом з зображенням невисокої якості між двома та більше абонентами. Клієнт цього сервісу, через відповідну комутаційну апаратуру, можуть слухати і бачити один одного в режимі реального часу.

Сервіс IP телефонії здійснює передачу голосового трафіку (голосу) між двома абонентами мережі де в якості мережного протоколу, використовується протокол IP (Internet Protocol) [1].

На завантаження каналів мережі медіа трафіком безумовно впливають не тільки обсяги переданих медіа даних, але і обсяг службової інформації протоколів взаємодіючих систем.

Метою даного розділу є аналіз інформаційних характеристик технологій, протоколів та кодеків систем передачі медіа трафіку.

1.2 Аналіз параметрів та характеристик аудіо та відео кодеків

Одним з важливих чинників ефективного використання пропускної здатності IP каналу, є вибір оптимального алгоритму кодування/декодування голосової інформації - кодека.

Кодеки можуть, як кодувати потік/сигнал, так і декодувати. Кодеки часто використовуються при цифровій обробці відео і звуку. Більшість кодеків для звукових та візуальних даних використовують стиснення з втратами, щоб отримувати прийнятний розмір готового (стисненого) файлу. Існують також кодеки, що стискають без втрат (lossless codecs). Але для більшості застосувань кращі кодеки з втратами інформації, так як малопомітне погіршення якості виправдовується значним зменшенням обсягу даних. Майже єдиний виняток - ситуація, коли дані будуть піддаватися подальшій обробці: в цьому випадку повторювані втрати на кодуванні/декодуванні нададуть серйозний вплив на якість

Всі існуючі сьогодні типи голосових кодеків за принципом дії можна розділити на три групи:

Кодеки з імпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ) і адаптивною диференціальною імпульсно-кодовою модуляцією (АДІКМ), що з'явилися в кінці 50-х років і використовуються сьогодні в системах традиційної телефонії. У більшості випадків, являють собою поєднання АЦП/ЦАП.

Кодеки з вокодерним перетворенням мовного сигналу виникли в системах мобільного зв'язку для зниження вимог до пропускної здатності радіотракта. Ця група кодеків використовує гармонійний синтез сигналу на підставі інформації про його вокальні складові (фонеми). У більшості випадків, такі кодеки реалізовані як аналогові пристрої.

Комбіновані (гібридні) кодеки поєднують в собі технологію вокодерной перетворення/синтезу мови, але оперують уже з цифровим сигналом за допомогою спеціалізованих DSP. Кодеки цього типу містять в собі ІКМ або АДІКМ кодек і реалізований цифровим способом вокодер.

Розглянемо основні кодеки, які використовують в шлюзах IP телефонії операторського рівня.

Кодек G .711. Рекомендація G.711, затверджена МККТТ в 1984 р, описує кодек, який використовує ІКМ перетворення аналогового сигналу з точністю 8 біт, тактовою частотою 8 кГц і найпростішої компресією амплітуди сигналу. Швидкість потоку даних на виході перетворювача складає 64 кбіт/с (8 біт *8 кГц). Для зниження шуму квантування і поліпшення перетворення сигналів зневеликою амплітудою при кодуванні використовується нелінійне квантування за рівнем згідно зі спеціальним псевдо-логарифмічним законом: А-закон для європейської системи ІКМ-30/32 або m-закон для північноамериканської системи ІКМ-24.

Кодек G.711 широко поширений в системах традиційної телефонії з комутацією каналів. Незважаючи на те, що рекомендація G.711 в стандарті Н.323 є основною і первинною, в шлюзах IP телефонії даний кодек застосовується рідко через високі вимоги до смуги пропускання і затримок у каналі передачі. Використання G.711 в системах IP телефонії обґрунтовано лише в тих випадках, коли потрібно забезпечити максимальну якість кодування голосової інформації при невеликому числі одночасних розмов.

Кодек G.723.1. Рекомендація G.723.1 описує гібридні кодеки, що використовують технологію кодування мовної інформації, скорочено звану MP-MLQ (Multy-Pulse Multy Level Quantization множинне імпульсне, багаторівневе квантування. Дані кодеки можна охарактеризувати, як комбінацію АЦП/ЦАП і вокодера. Застосування вокодера дозволяє знизити швидкість передачі даних в каналі, що принципово важливо для ефективного використання радіотракта і IP каналу. Основний принцип роботи вокодера - синтез вихідного мовного сигналу за допомогою адаптивної заміни його гармонійних складових відповідним набором частотних фонем і узгодженими шумовими коефіцієнтами. Кодек G.723.1 здійснює перетворення аналогового сигналу в потік даних зі швидкістю 64 кбіт/с (ІКМ), а потім за допомогою багатосмугового цифрового фільтра/вокодера виділяє частотні фонеми, аналізує їх і передає по IP каналу інформацію тільки про поточний стан фонем в мовному сигналі. Даний алгоритм перетворення дозволяє знизити швидкість кодованої інформації до 5,3 та 6,3 кбіт/с без видимого погіршення якості мови. Кодек має дві швидкості і два варіанти кодування: 6,3 кбіт/с з алгоритмом MP-MLQ і 5,3 кбіт/с з алгоритмом CELP. Кодек G.723.1 широко застосовується в голосових шлюзах та інших пристроях IP телефонії.

Кодек G.728. Кодек використовує оригінальну технологію з малою затримкою LD-CELP (low delay code excited linear prediction) і гарантує оцінки MOS, аналогічні АДІКМ G.726 при швидкості передачі 16 кбіт/с. Даний кодек спеціально розроблявся як більш досконала заміна АДІКМ для обладнання ущільнення телефонних каналів, при цьому було необхідно забезпечити дуже малу величину затримки (менше 5 мс), щоб виключити необхідність застосування ехокомпенсаторів.

Сімейство включає кодеки G.729, включає кодекі G.729 Annex A, G.729 Annex В (містить VAD і генератор комфортного шуму). Кодеки G.729 скорочено називають CS-ACELP (Conjugate Structure-Algebraic Code Excited Linear Predictionс) - сполучена структура з керованим алгебраїчним та кодом лінійним передбаченням. Процес перетворення використовує DSP 21,5 MIPS і вносить затримку 15 мс. Швидкість кодованого голосового сигналу становить 8 кбіт/с. У пристроях VoIP даний кодек займає лідируюче положення, забезпечуючи найкращу якість кодування голосового інформації при досить високій компресії. Основні характеристики розглянутих кодеків наведені в табл. 1.1.

Таблиця 1.1 - Характеристики аудіо кодеків

Кодек	Метод компресії	Швид-ть, кбіт/с	Складність реалізації	Якість	Затримка, мс	Тривал. кадру, мс	ОцінкаМОС
G.711	PCM	64	низька	дуже добра	дуже низька (0,125 мc)	0,125	4,1
G.729	CS-ACELP	8	помірна 25 MIPS	добра	середня (15 мс)	10	3,92
G.726	ADPCM	32/24/16	Низька 8 MIPS	добра (32), погана (16)	дуже низька (0,125 мc)	0,125	3,85 (32к)
G.723.1	MP-MLQ	5,3/6,4	помірна 16 MIPS	середня / добра	висока (37,5 мс)	30	3,7/3,9
G.728	LD-CELP	16	дуже висока 40 MIPS	добра	дуже низька (3…5 )	4	3,61

Виконаємо аналіз інформаційних характеристик відео кодеків. Існує деяка кількість стандартів для стиснення відео високої чіткості. Приведемо короткі характеристики деяких стандартів.

Цифрове відео має п'ять основних характеристик: екранне дозвіл, частота кадрів, глибина кольору, бітрейт (ширина відеопотоку) і якість зображення.

Екранний дозвіл який позначає кількість точок (пікселів) по горизонталі і вертикалі, з яких складається зображення (відеокадр) на екрані. При запису дозволу спочатку вказується значення кількості точок у рядку (горизонтальний дозвіл), а потім число рядків, що беруть участь в побудові зображення (вертикальний дозвіл). Наприклад, для європейського відеостандарту PAL розмір кадру становить 720x576 пікселів, для північноамериканського стандарту NTSC-720x480, для відео високої чіткості (HD 720p) - 1280х720, а для стандарту HDTV (Full HD) - 1920x1080 точок. Чим вище екранне дозвіл, тим якість відео краще.

Частота кадрів - величина вказує, на те, яка кількість кадрів змінюється за секунду. Стандартної швидкістю відтворення відеосигналу вважається величина рівна 30 кадрам/c. Для кіно цей показник дещо менше та становить 24 кадра/с.

Глибина кольору (колірний дозвіл) - характеристика, яка вказує кількість кольорів, які можуть брати участь у формуванні відео зображення. Кількість кольорів у цифровому відео вимірюється в бітах. Так 1 біт може приймати два різних значення (0 або 1) і дозволяє відповідно закодувати тільки два кольори (зазвичай чорний і білий). За допомогою двох біт можна закодувати вже 4 кольору (22 = 4), за допомогою трьох біт - 8 кольорів (23), чотирьох - 16 (24) і так далі.

Як правило, глибина кольору описується за допомогою спеціальних колірних моделей. У комп'ютерній техніці застосовується модель RGB (червоний - зелений - синій), яка може бути представлена наступними найбільш поширеними режимами глибини кольору: 8 біт (256 кольорів), 16 біт (65 536 кольорів) і 24 біта (16 777 216 кольорів).

Бітрейт (ширина відеопотоку) показує кількість оброблюваних біт відеоінформації за одну секунду часу. Інакше кажучи це швидкість відеопотоку, яка вимірюється в мегабітах в секунду (Мбіт/с). Чим вона вища, тим краще якість. Наприклад, для стандарту DVD - відео ширина потоку складає близько 5 Мбіт/c, а для формату телебачення високої чіткості HDTV - уже 10 Мбіт/с.

Якість зображення - характеристика покликана оцінити якість обробленого відео в порівнянні з оригіналом і визначається сукупністю значень дозволу, глибини кольору і швидкості відео потоку.

Стандарти стиснення. Одна хвилина чистого не стисненого оцифрованого звуку займає на жорсткому диску комп'ютера близько 10 Мбайт, внаслідок чого, в переважній більшості, музичні файли зберігаються в стислому вигляді заради економії місця.

Існує кілька десятків популярних форматів стиснення, які використовують різні алгоритми компресії, які відповідно дають різні результати.

DV (Digital Video) - один з найперших алгоритмів стиснення для відеопотоку, розробка якого почалася в 1993 році спільно відразу декількома компаніями, що є найбільшими виробниками відеообладнання (Sony, JVC, Panasonic, Philips і Hitachi). Формат DV забезпечує невисоку ступінь стиснення даних (5:1) і характеризується високим бітрейтом, за рахунок чого виходить відеофайл виходить досить великого розміру. Так одна хвилина DV - відео займає близько 200 Мб (1 година - 12 Гб) на цифрових носіях інформації.

Для стиснення відео можуть використовуватися різні стандарти. Але при цьому, можна стиснути відео абсолютно різними інструментами або програмними засобами, що дає на виході абсолютно різні результати.

Стандарт Н261 відеокодека затверджено ITU-T у 1990 р. Цей стандарт розроблено для передачі інформації по мережі ISDN, де швидкості передачі даних кратні 64 кбіт/с. Стандарт H.261 належить до сімейства стандартів H.26x кодування відеоінформації, знаходиться у підтримці групи експертів з кодування відео VCEG (Video Coding Experts Group) ITU-T. Алгоритм кодування розроблявся для передачі відео зі швидкістю в діапазоні від 40 кБіт/с до 2 МБіт/с. Стандарт підтримує CIF (Common Intermediate Format) і QCIF (Quarter Common Intermediate Format) з розмірами кадрів 352Ч288 і 176Ч144 відповідно (і 4:2:0 проріджуванням колірних компонент до 176Ч144 і 88Ч72).

Стандарт H.263 був прийнятий ITU-T (International Telecommunication Union, Telecommunication sector) 6 лютого 1998 року. Стандарт призначений для кодування відео з низьким бітрейтом.

Алгоритм кодування відео заснований на рекомендації H.261. У стандарті H.263 підвищена ефективність кодування і стійкість до помилок за рахунок складнішої практичної реалізації. Основні відмінності стандарту H.263 від H.261 полягають у використанні напівпіксельній точності в алгоритмах компенсації руху замість пиксельної в стандарті H.261, використанні згладжуючого фільтра для видалення високочастотних просторових складових кадру для підвищення ефективності компенсації процесу.

Стандарт H.264, MPEG-4 Part 10 або AVC (Advanced Video Coding) ліцензований стандарт стиснення відео, призначений для досягнення високого ступеня стиснення відео потоку при збереженні високої якості. Він створений ITU-T групою VCEG спільно з ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG) в рамках спільної програми JVT (Joint Video Team).

MPEG (Moving Picture Experts Group) - ціле сімейство стандартів стиснення цифрової інформації, розроблене і стандартизоване однойменною експертною групою фахівців, сформованою організацією ISO в 1988 році. Першим став вихідний стандарт відео і аудіо компресії MPEG-1. В MPEG-1 мультимедійна інформація призначалася для зберігання на стандартному CD-ROM. MPEG-1 дозволяє получити відео потік з шириною до 1,5 Мбіт в секунду. Стандарт підтримує кодування прогресивного відео з роздільною здатністю 352Ч288 при 25 кадрах в секунду, а так само 352Ч240 при 30 кадрах/с. Це забезпечувало якість відео яке порівнянне з системами VHS (Video Home System).

У 1995 році був розроблений стандарт MPEG-2, який згодом отримав широке поширення в цифрових відеодисках DVD, та при передачі сигналу кабельного та супутникового телебачення. Якість картинки значно вища: при 25 кадрах в секунду, роздільна здатність екрану складає 720x576 точок для системи змінної фізи PAL (Phase Alternating Line), а для системи національний комітет з телевізійних стандартів NTSC (National Television Standards Committee) 720х480 при 30 кадрах/с. При цьому, середня максимальна ширина потоку дорівнює 9,8 Мбіт/с, що практично в 7 разів вище, ніж у Video CD. Ще однією незаперечною перевагою MPEG-2 є можливість збереження п'яти канальної аудіо доріжки (Dolby Digital 5.1 і DTS).

В 1998 році з'явилося нове сімейство форматів стиснення відео MPEG-4. Воно розроблялося з метою поліпшення якості картинки при низькій швидкості потоку. Стандарт MPEG-2, розрахований на високий бітрейт, з цим завданням впоратися не міг, так що алгоритми стиснення довелося серйозно модифікувати. Так само MPEG-2 не підходить для зберігання відео високої чіткості (HD) з роздільною здатністю екрану від 1280x720 до 1920x1080 пікселів, яке все більше і більше набирає популярність. Середня максимальна ширина потоку дорівнює 9,8 Мбит/с.

На сьогоднішній день MPEG-4 є основним стандартом стиснення мультимедіа контенту, і хоча DVD списувати з рахунків ще рано, практично всі сучасні фото та відеокамери знімають в HD-якості. Так що для збереження відео з таких пристроїв на комп'ютер, в будь-якому випадку доведеться орієнтуватися на кодеки сімейства MPEG-4. Характеристики стандартів відео кодеків представлені в табл. 1.2 [22].

Таблиця 1.2 - Характеристики стандартів відео кодеків

Стандарти	Ширина відео потоку	Глибина кольору, біт	Частота кадрів, за с	Якість зображення	Роздільна здатність екрану
Н.261	64 кбіт/с	8 (256 кольорів)	25 30	низька	352Ч288 176Ч144
Н.263	64/128 кбіт/с	8 (28 кольорів)	25 30	середня	352Ч288 176Ч144
Н.264	265 кбіт/с	16 (216 кольорів)	25	добра	640Ч480
MPEG-1	до 1,5 Мбіт/с	16 (216 кольорів)	25 30	добра	352Ч288 352Ч240
MPEG-2	9,8 Мбіт/с	24 (224 кольорів)	25 30	добра	720Ч576 720Ч840
MPEG-4	9,8 Мбіт/с	24 (224 кольорів)	25 30	добра	1280Ч720 1920x1080

1.3 Аналіз параметрів протоколів сигналізації медіатрафіку

В процесі передачі медіа трафіку створюється та підтримується медіа сесія за допомогою протоколів сигналізації. Розвиток IP телефонії призвів до того, що сьогодні в реальних мережах VoIP існують конкурують між собою такі архітектури протоколів сигналізації: Н.323, SIP і MGCP. Протоколи цих трьох сімейств регламентують управління мультимедіа викликами і передачу медіа трафіку в IP мережах, але при цьому реалізують три різних підходи побудови систем телефонної сигналізації.

Введений міжнародним союзом електрозв'язку (МСЕ) набір рекомендацій Н.323. Історично перший і найпоширеніший в даний час. Н.323 став породженням діяльності розробників протоколів мультимедійної зв'язку в мережах ISDN (H.320). Відповідні роботи велися ще c початку 90-х років, коли ніякої IP телефонії і не було. Перша версія цього протоколу була прийнята МСЕ в 1996 р. і по суті була спробою перенести телефонну сигналізацію ISDN Q.931 на IP з'єднання, тобто як би «накласти» традиційну телефонію на мережі передачі даних. Рекомендації H.323 досить докладно описують способи організації мультимедійних конференцій, охоплюючи сервіси передачі голосу, відео і комп'ютерних даних в пакетних мережах.

Наступний по поширеності протокол IP телефонії називається SIP (Session Initiation Protocol); він описаний в рекомендаціях RFC 2543. SIP регламентує встановлення і завершення мультимедійних сесій - сеансів зв'язку, в ході яких користувачі можуть говорити один з одним, обмінюватися відеоматеріалами та текстом, спільно працювати над додатками тощо. SIP і супутні йому протоколи народилися і розвиваються в рамках головного органу стандартизації Інтернету IETF (Internet Engineering Task Force). Перша версія протоколу SIP була прийнята в березні 1999 р., на три роки пізніше, ніж H.323, але завдяки інтенсивному розвитку цього напрямку сьогодні набір рекомендацій RFC IETF, що мають відношення до SIP архітектурі, налічує десятки, якщо не сотні документів. SIP дуже схожий на протокол HTTP, оскільки розроблявся за образом і подобою широко відомих специфікацій HTTP і SMTP. По суті це клієнт серверний протокол, робота якого складається з низки запитів і відповідей, причому всі SIP - заголовки передаються у форматі ASCII - тексту, а тому легко читаються.

Розглянемо протокол сигналізації IP телефонії MGCP (Media Gateway Control Protocol). Точніше, це не один протокол, а ціла група - SGCP, IPDC, MGCP, MEGACO, H.248. Перша версія протоколу MGCP (RFC 2705) датована жовтнем 1999 р. Основна ідея MGCP дуже проста. Вона полягає в тому, що управління сигналізацією (Call Control) зосереджено на центральному керуючому пристрої, званому контролером сигналізації (Call Agent,CA), і повністю відокремлене від медіа потоків. Ці потоки обробляються інтелектуальними шлюзами або абонентськими терміналами, які здатні виконувати лише обмежений набір команд, що виходять від керуючого пристрою. Порівняння функціональних особливостей трьох видів протоколів, приведено в табл. 1.3.

Таблиця 1.3 - Порівняння протоколів VoIP мережі

Показники	Н.323	SIP	MGCP
Компонент мережі	Привратник	Проксі-сервер	Сигнальний контролер
Протокол передачі сигналізації	TCP	TCP або UDP	UDP
Протокол передачі медіа-трафіка	RTP	RTP	RTP
Формат повідомлень	Двійковий (ASN.1)	Текстовий (ASCII)	Текстовий (ASCII)
Стандартизація	ITU	IETF	IETF/ITU

1.4 Аналіз параметрів транспортних протоколів медіа систем

Для передачі медіа трафіку в ІР мережах використовуються протоколи транспортного рівня. Ці протоколи забезпечують контроль над передачею даних між мереженими протоколами та додатками прикладного рівня системи. В даний час в локальних мережах найбільш поширено кілька різновидів транспортних протоколів. Розглянемо інформаційні параметри транспортних протоколів, що використовують для передачі трафіку медіа додатків.

Транспортний протокол UDP (User Datagram Protocol). Протокол UDP є один з основних транспортних протоколів. Він працює безпосередньо з IP пакетами та здійснює їх мультиплексування між різними додатками. UDP це один з найпростіших протоколів транспортного рівня моделі OSI, котрий виконує обмін дейтаграмами без підтвердження та гарантії доставки. При використанні протоколу UDP обробка помилок і повторна передача даних має виконуватися протоколом вищого рівня. Але, незважаючи на всі недоліки, протокол UDP є ефективним для серверів, що надсилають невеликі відповіді великій кількості клієнтів. На рис. 1.1 розглянута структура пакету UDP.

Заголовок UDP складається з чотирьох полів, кожне по 2 байти (16 біт). Два з них необов'язкові до використання в IPv4 (рожеві осередки на рис.), в той час як в IPv6 необов'язковий тільки порт відправника.

Порт відправника. У цьому полі вказується номер порту відправника, на який, при необхідності, буде надсилатися відповідь. В іншому ж випадку, значення має бути рівним 0. Якщо хостом джерелом є клієнт, то номер порту буде, швидше за все, динамічним [17].

Біти	0 - 15	16 - 31
0-31	Порт відправника (Source port) 16 Біт	Порт одержувача (Destination port) 16 біт
32-63	Довжина датаграми (Length) 16 біт	Контрольна сума (Checksum) 16 біт
64-...	Дані (Data)

Рисунок 1.1 - Структура пакету UDP

Порт одержувача. Це поле обов'язкове і містить порт одержувача. Аналогічно порту відправника, якщо хостом одержувачем є клієнт, то номер порту динамічний, якщо одержувач сервер, то це буде відомий порт.

Довжина датаграми. Поле, що задає довжину всієї датаграми (заголовка і даних) в байтах. Мінімальна довжина дорівнює довжині заголовка 8 байт. Теоретично, максимальний розмір поля 65 535 байт для UDP датаграми (8 байт на заголовок і 65527 на дані).

Транспортний протокол RTP (Real-Time Transport Protocol), протокол який працює на прикладному рівні і використовується при передачі трафіку реального часу.

Протокол RTP переносить у своєму заголовку дані, необхідні для відновлення голосу та відео на приймальному вузлі, а також дані про тип кодування інформації (JPEG, MPEG і т. п.). В заголовку цього протоколу, зокрема, передаються мітка і номер пакету. Ці параметри дозволяють при мінімальних затримки визначити порядок і час декодування кожного пакета, а також інтерполювати втрачені пакети.

RTP не має стандартного зарезервованого номера порту. Єдине обмеження полягає в тому, що з'єднання проходить з використанням парного номера, а наступний непарний номер використовується для зв'язку з протоколом RTCP. Той факт, що RTP використовує динамічно назначаємо адреси портів, створює йому труднощі для проходження між мережевих екранів, для обходу цієї проблеми, як правило, використовується STUN-сервер. На рис. 1.2 представлений заголовок протоколу RTP.[18]

Поле версії (2 біт)	Поле заповнення (1біт)	Поле розширень заголовка (4 біт)	Поле кількості відправників (4 біт)	Поле маркера (1біт)	Поле Корисного навантаження (7 біт)	Поле порядкового номера (16 біт)
Поле позначки про час (32 біта)
Поле ідентифікатора джерела синхронізації (32 біта)
Список ідентифікаторів джерела 32 (біта)

Рисунок 1.2 - Основний заголовок RTP

Фіксований RTP заголовок містить ряд полів, що ідентифікують такі елементи, як формат пакета, порядковий номер, джерела, межі та тип корисного навантаження. За фіксованим заголовком можуть слідувати інші поля, що містять додаткову інформацію про дані.

Поле версії (2біта). Поле де вказується версія протоколу.

Поле заповнення (1 біт). Це поле сигналізує про наявність заповнюють октетів наприкінці корисного навантаження. Заповнення застосовується, коли додаток вимагає, щоб розмір корисного навантаження був кратний.

Поле розширення заголовка (1 біт). Коли це поле задано, то за основним заголовком слід ще один додатковий, використовуваний в експериментальних розширеннях RTP.

Поле кількості відправників (4 біта). Це поле містить кількість ідентифікаторів відправників, чиї дані знаходяться в пакеті, причому самі ідентифікатори слідують за основним заголовком.

Поле маркера (1 біт). Сенс біта маркера залежить від типу корисного навантаження. Біт маркера використовується зазвичай для позначення меж потоку даних. У випадку відео він задає кінець кадру. У випадку голосу він задає початок розмови після періоду мовчання.

Поле корисного навантаження (7 біт). Це поле ідентифікує тип корисного навантаження і формат даних, включаючи стиснення і шифрування. У стаціонарному стані відправник використовує тільки один тип корисного навантаження протягом сеансу, але він може його змінити у відповідь на зміну умов, якщо про це сигналізує протокол управління передачею в реальному часі (Real-Time Transport Control Protocol).

Поле порядкового номера (16 біт). Кожне джерело починає нумерувати пакети з довільного номера, збільшується потім на одиницю з кожним посланим пакетом даних RTP. Це дозволяє виявити втрату пакетів і визначити порядок пакетів з однаковою відміткою про час. Декілька послідовних пакетів можуть мати одну і ту ж позначку про час, якщо логічно вони породжені в один і той же момент, як, наприклад, пакети, що належать до одного і того ж відеокадру.

Поле позначки про час (32 біта). Це поле містить момент часу, в який перший октет даних корисного навантаження був створений. Одиниці, в яких час вказується в цьому полі, залежать від типу корисного навантаження. Значення визначається по локальних годинах відправника.

Поле ідентифікатора джерела синхронізації (32 біта). Генеруючи випадковим чином число, унікальним чином ідентифікує джерело протягом сеансу і незалежне від мережевого адресу.

Список полів ідентифікаторів джерела (32 біта)

1.5 Аналіз параметрів протоколів мережного рівня медіа систем

Для передачі інформації на мережному рівні взаємодіючих систем використовується протокол IP. Сьогодні діють четверта IPv4 та шоста IPv6 версія цього протоколу.

Основним завданням протоколу IР є здійснення передачі блоків даних (дейтаграм) від хоста відправника, до хоста призначення. Відправниками та одержувачами виступають обчислювальні машини, які однозначно ідентифікуються IP адресами фіксованої довжини (IPv4 - 32 біта, а в версії IPv6 -128 біт). Протокол IP здійснює, у разі потреби, фрагментацію даних для передачі їх через інші мережі з меншим розміром пакетів. Цей протокол використовує таблицю маршрутизації для передачі пакетів від відправника до одержувача. Кожен пакет, крім даних, містить в собі і заголовок. Формат заголовка пакету IPv4 представлений на рис. 1.3. [16]

Версія (4 біт)	Довжина заголовка (4 біта)	Тип обслуговування (8 біт)	Довжина пакету (16 біт)
Ідентифікатор (16 біт)	Прапор (3 біта)	Зміщення фрагменту (13 біт)
Кількість переходів (8 біт)	Протокол (8 біт)	Контрольна сума заголовка (16 біт)
IP адреса відправника (32 біт)
IP адреса одержувача (32біт)
Параметри (до 320 біт)	Дані (до 65535)

Рисунок 1.3 - Формат заголовка IPv4

У полі версія (4 біта) вказується інформація про версію протоколу.

У полі довжина заголовка (4 біта) вказується обсяг IP пакета у 32 бітних словах. Це дозволяє визначити початок блока даних (payload) у пакеті. Мінімальне коректне значення для цього поля дорівнює п'яти бітовим словам.

Тип сервісу (8 біт). Перші три біта цього поля визначають пріоритет пакету й можуть мати значення від нуля до семи. Мережні пристрої в першу чергу обробляють пакети, з найвищим пріоритетом.

У полі довжина пакету (16 біт) вказується загальна довжина датаграми з урахуванням заголовка і поля даних. Обсяг пакету може сягати 65535 байт.

Поле ідентифікатор пакета (16 біт) - використовують для розпізнавання пакетів, що утворилися шляхом фрагментації вихідного пакета. Всі фрагменти повинні мати однакове значення цього поля.

Прапори - поле яке займає 3 біти. Перший біт повинен завжди дорівнювати нулю, другий біт визначає можливість фрагментації пакета, а третій біт показує, чи не є фрагмент останнім у ланцюжку фрагментів переданої датаграми.

За допомогою поля зміщення фрагмента (13 біт) визначають позицію фрагмента в потоці даних.

У полі кількість переходів (8 біт) задається максимальна кількість маршрутизаторів, які може пройти датаграма (або час життя пакету). При проходженні маршрутизатора значення цього поля зменшується на 1 і досягнувши значення 0, пакет знищується.

У полі протокол (8 біт) вказується ідентифікатор протоколу верхнього рівня, якому належить інформація розміщена в полі даних пакета.

Поле контрольна сума (16 біт) розраховується для усього заголовка і дозволяє визначити цілісність пакета.

Поле параметри (до 320 біт) використовують при налаштуванні мережі. В ньому може бути вказаний точний маршрут проходження пакету в розподіленій мережі, розміщені дані системи безпеки, а також різни часові помітки. Зазвичай заголовок містить 20 октетів, тобто має довжину 20 байт, але ця довжина може змінюватись, що аж ніяк не спрощує процес передачі даних.

Протокол IP не гарантує доставку пакетів. Тобто перед початком передачі не встановлюється з'єднання та не підтверджується доставка пакетів.

До недоліків протоколу IPv4 можна віднести:

- дефіцит адресного простору, що обмежує кількість різних пристроїв, які підключаються до мережі Internet;

- слабка розширюваність протоколу - розмір заголовка IPv4 не дозволяє розмістити необхідну кількість додаткових параметрів;

- проблема безпеки комунікацій - не передбачено будь-яких засобів для розмежування доступу до інформації, розміщеної в мережі;

- обмежена підтримка якості обслуговування - не дозволені розміщення інформації про пропускну здатність, затримку, яка необхідна для нормальної роботи деяких мережних додатків.

Також, відсутні деякі механізми, необхідні за сучасними мірками. Це механізми інформаційної безпеки та засоби підтримки класів обслуговування.

Для розширення адресного простору та задоволення сучасних вимог до IP мережі розроблено протокол IPv6, який описано в RFC 2460. Основні відмінності протоколу IPv6 від IPv4 у наступному.

Значно збільшено адресний простір. IPv6 піддержує приблизно 3,4*1038 адрес.

Спрощено заголовок пакета, зокрема:

- відсутня фрагментація пакета за замовчуванням;

- поле TTL (Time to Live - час життя) замінено на поле Hop Limit (граничне число кроків);

- відсутнє поле контрольної суми (Checksum). Для перевірки цілісності пакета використовується функція протоколу 4-го або 2-го рівня.

Поліпшені механізми автоматичного налаштування пристроїв. Вузол мережі може бути сконфігуровано автоматично при підключенні до мережі з IPv6 маршрутизацією за допомогою протоколу обміну повідомленнями IСМР версії IPv6.

Розширені можливості для підтримки аутентифікації користувачів, цілісності та конфіденційності даних, спрощена маршрутизація, поліпшені механізми забезпечення якості обслуговування(QoS).

Протокол IPv6 вирішує потенційну проблему нестачі IP адрес за допомогою використання 128-розрядних адрес замість 32-розрядних адрес IPv4, завдяки чому адресний простір розширюється в 296 разів. Формат основного заголовка протоколу IPv6 представлено на рис.1.4.

Версія (4 біт)	Клас трафіку (8 біт)	Мітка потоку (20 біт)
Довжина корисного навантаження (16 біт)	Наступний заголовок (8 біт)	Кількість переходів (8 біт)
IP адреса відправника (128 біт)
IP адреса одержувача (128 біт)
Дані

Рисунок 1.4 - Основний заголовок протоколу IPv6

Версія (4 біт) - поле де вказується версія протоколу.

Поле клас трафіку (8 біт) визначає пріоритет трафіку для забезпечення класу обслуговування QoS.

У полі мітка потоку (20 біт) вказується унікальне число, однакове для однорідного потоку пакетів. Якщо шлюз, що обробляє пакет помітив відхилення складу пакету від інших пакетів потоку, він генерує помилку потоку і повідомляє про це відправника. Інформація про потік на шлюзі зберігається протягом 6 секунд. Якщо за цей час через шлюз не пройде жодної дейтаграми потоку, ідентифікатор даного потоку звільняється. З іншого боку, хост відправника, у разі перезапуску (ініціалізації) вузла, не зможе раніше ніж через 6 секунд організувати новий потік.

У полі довжина корисного навантаження(16 біт) вказується обсяг даних пакета (в байтах), які слідують за заголовком.

Поле наступного заголовка (8 біт) містить інформацію про тип заголовка, який слідує за основним заголовком IPv6.

У полі кількість переходів (8 біт) вказується максимальна кількість маршрутизаторів, які може пройти пакет. Якщо це значення досягає 0, пакет знищується.

Поля IP адреса відправника і IP адреса одержувача мають однакову структуру й довжину, яка складає 128 біт [16].

1.6 Аналіз параметрів протоколів канального рівня медіа систем

Функціональний склад того або іншого протоколу канального рівня багато в чому визначається особливостями фізичного рівня, наприклад, топологією мережі або типом середовища передачі. Тому при проектуванні мережної взаємодії пристроїв використовуються і розробляються комплексні стандарти, що одержали назву мережних технологій.

Мережна технологія - це набір стандартів, що визначає мінімальний склад програмно-апаратних засобів, достатній для організації взаємодії комп'ютерів в мережі. Як правило, мережева технологія визначає топологію мережі, а також протокол канального рівня (формат кадру, порядок обміну кадрами, MTU).

В даний час існує велика кількість мережних технологій канального рівня. Одна з найбільш популярних в даний час - технологія локальних мереж Ethernet. Технологія Ethernet використовує протокол CSMA/CD (множинний доступ з контролем несучої та виявленням колізій). Цей протокол дозволяє в кожний момент часу лише один сеанс передачі в логічному сегменті мережі. При появі двох і більше сеансів передачі одночасно виникає колізія, яка фіксується станцією, що ініціює передачу. Станція аварійно зупиняє процес і очікує закінчення поточного сеансу передачі, а потім знову намагається повторити передачу. Ethernet мережі функціонують на швидкостях 10 Мбіт/с, Fast Ethernet - на швидкостях 100 Мбіт/с, Gigabit Ethernet - на швидкостях 1000 Мбіт/с, 10 Gigabit Ethernet - на швидкостях 10 Гбіт/с. В кінці листопада 2006 року було прийняте рішення про початок розробок наступної версії стандарту з досягненням швидкості 100 Гбіт/с (100 Gigabit Ethernet).

Структура кадру Ethernet представлена на рис. 1.5. Існує декілька форматів Ethernet кадру:

- первинний кадр Version I (більше не застосовується);

- кадр Ethernet Version 2 або Ethernet II, ще званий DIX (абревіатура перших букв фірм-розробників DEC, Intel, Xerox) - найбільш поширений і застосовується до сьогодні. Часто використовується безпосередньо протоколом Інтернет;

- кадр Novell - модифікація IEEE 802.3 без LLC (Logical link control);

- кадр IEEE 802.2 LLC;

- кадр IEEE 802.2 LLC/SNAP.

Деякі мережеві карти Ethernet, що випускались компанією Hewlett-Packard використовували при роботі кадр формату IEEE 802.12, відповідно стандарту 100VG-AnyLAN. Як доповнення Ethernet кадр може містити тег IEEE 802.1Q для ідентифікації VLAN, до якої він адресований, і IEEE 802.1p для вказівки пріоритету. Різні типи кадру мають різний формат і значення MTU.

Рисунок 1.5 - Структура кадру Ethernet

Одним з перспективних напрямків побудови сучасної мережної інфраструктури бути використання оптичних технологій для організації високошвидкісної магістральної мережі та єдиної системи сигналізації, що дозволяє об'єднувати різні типи середовищ і систем передачі інформації. В якості такої об'єднуючої технології зараз розглядається технологія багато протокольної комутації по міткам (Multiprotocol label Switching, MPLS). MPLS являє собою механізм з високопродуктивної телекомунікаційної мережі, який здійснює передачу даних від одного вузла мережі до іншого за допомогою міток.

MPLS дозволяє досить легко створювати віртуальні канали між вузлами мережі. Так само дана технологія дозволяє інкапсулювати різні протоколи передачі даних. Рішення про подальшу передачу пакету даних іншому вузлу мережі здійснюється тільки на підставі значення присвоєної мітки без необхідності вивчення самого пакета даних. За рахунок цього можливе створення наскрізного віртуального каналу, незалежного від середовища передачі і використовує будь-який протокол передачі даних. На рис. 1.6 представлений формат запису стека міток [2].

Рисунок 1.6 - Формат запису міток технології MPLS

Технологія MPLS основана на обробці заголовка MPLS, який додається до кожного пакету даних. Заголовок MPLS може складатися з однієї або кількох «міток». Кілька записів (міток) в заголовку MPLS називаються стеком міток. Кожен запис в стеку міток складається з наступних чотирьох полів:

- значення мітки. Займає 20 біт;

- поле класу трафіку (Traffic Class), необхідного для реалізації механізмів QoS (експериментальна підтримка) і явного повідомлення про перевантаження (Explicit Congestion Notification, ECN). Займає 3 біти;

- прапор дна стеку (Bottom of stack). Якщо флаг встановлений, то це означає,що поточна мітка остання в стеці. Займає 1 біт;

- поле TTL (Time To Live). Займає 8 біт.

1.7 Стислі висновки

Проаналізовані параметри та характеристики аудіо кодеків систем передачі медіатрафіку G.711, G.729, G.726, G.723.1, G.728. Зробивши висновок, можна сказати, що найкращий кодек є G.729, який має маленьку швидкість і високу якість, і помірна реалізація, з ним може конкурувати G.723.1 який має більшу затримку. Такий самий аналіз пророблений з відео стандарту Н.261, Н.263, Н.264, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4. Зробивши висновок, можна сказати що найкращий відео стандарт це MPEG-4, він є основним стандартом стиснення мультимедіа контенту, за допомогою нього практично всі сучасні фото та відеокамери знімають в HD-якості. Але від нього не відстають такі стандарти як Н.254, MPEG-1, MPEG-2.

Також в розділі розглянуті інформаційні характеристики та технології протоколів UDP та RTP який його підтримує. А для передачі інформації на мережному рівні взаємодіючих систем використовується протокол четвертої IPv4 та шостої IPv6 версії. Але в IPv4 адресний простір виснажений тому найбільш доцільно буде використовувати IPv6. Для збільшення продуктивності систем мережі в IP мережах використовується технологія MPLS та Ethernet.

Даний аналіз може бути використаний для аналізу інформаційної надлишковості.

2. АНАЛІЗ МАТЕМАТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ ВЗАЄМОДІЇ МЕДІА СИСТЕМ

2.1 Постановка задачі

Мережі будуються за багаторівневим принципом. Для організації зв'язку необхідно спочатку розробити набір правил їх взаємодії, визначити мову їх "спілкування", тобто визначити зміст сигналів, що посилають комп'ютери. Ці правила та визначення називаються протоколом. Для коректної роботи мережі використовується цілий ряд протоколів: наприклад, протокол управління фізичним зв'язком, встановлення зв'язку в мережі, доступу до ресурсів, тощо. Багаторівневу систему було створено з метою спрощення і впорядкування такої величезної кількості протоколів та зв'язків.

Концепція багаторівневої моделі [International Organization for Standardization (ISO)] прийнято семирівневу еталонну модель взаємодії відкритих систем (ВВС) [Open System Interconnection (OSI)]. Вона відіграє визначальну роль у розвитку інфотелекомунікацій, оскільки дає можливість розробляти технології та мережеві продукти, що реалізують функції одного або декількох суміжних рівнів моделі не зачіпаючи функцій інших рівнів. Це дозволяє виробникам мережевих продуктів реалізовувати функції лише певних необхідних частин моделі, наприклад, фізичного рівня, фізичного і канального рівнів і т. п. Завдяки чому оператори зв'язку мають можливість будувати мережі, використовуючи спектр сумісних мережних продуктів різних рівнів моделі і різних виробників

При розробці окремих технологій здійснювалась декомпозиція рівнів та вводилися площини тому [5] запропонована узагальнена модель взаємодії відкритих систем яка моє виміри - рівні та площини.

Для розрахунку навантажень в каналах медіа систем необхідні математичні моделі взаємодії систем. Метою даного розділу є аналіз вербальних та математичних моделі взаємодії відкритих систем.

2.2 Вербальні моделі взаємодії відкритих систем

Модель ISO\OSI було прийнято Міжнародним союзом електрозв'язку (МСЕ) [International Telecommunication Union (ITU)]. Розробка і широке використання моделі ВВС дозволили розв'язати найважливішу задачу, організувати взаємодію телекомунікаційного устаткування, створеного різними виробниками.

При розробці окремих технологій здійснювалась декомпозиція деяких рівнів. Наприклад, стандартами IEEE 802.x фізичний рівень подається у вигляді трьох підрівнів, а канальний - у вигляді двох. Іншу декомпозицію рівнів запропоновано при розробці технології АТМ. Така деталізація не порушує загальної стрункості та структури моделі ВВС. Усе залежить від розв'язуваної задачі забезпечення взаємодії відкритих систем, котрі реалізовують конкретну технологію.

Модель ISO стала вже окремим випадком. Це небажано. потрібна нова узагальнена модель, котра охопила б всі існуючі моделі і припускала їхній природний розвиток і декомпозицію. Однозначне проходження плоскої моделі ВВС не лише гальмує вивчення новітніх технологій, але й стає на перешкоді в їхньому розвитку, виявленні напрямів досліджень, усунення недоліків в існуючих технологіях.

При виборі рівнів у моделі ВВС насамперед виходили з функціонального призначення кожного рівня, тобто споріднені функції збиралися на одному рівні. При цьому вибір числа рівнів продиктовано розумним компромісом. Рівнів має бути достатньо, щоб кожний з них не був надто громіздким, а з іншого боку, рівнів не повинно бути надто багато, аби їхня інтеграція й описи в взаємодії не виявилися занадто складними. Такий самий підхід слід застосувати і при введенні площин. При цьому площини, в разі потреби, можуть поділятися на півплощини. Ведення площини визначається її функціональним призначенням.

Відзначимо ще одну особливість площин. Звернімося знову до моделі ВВС [5]. Відомо, що всі рівні моделі реалізовуються в термінальному устаткуванні. Мережне устаткування працює на чотирьох нижніх рівнях моделі. Тому площини можуть не містити всіх рівнів моделі ВВС.

Підсумовуючи й узагальнюючи відомі дані, розглянемо необхідні площини і їхнє функціональне призначення.

Площина користувача забезпечує транспортування даних користувача заданого чи будь-якого виду з заданою якістю обслуговування. Площина користувача може мати дві півплощини, півплощина термінального устаткування і півплощини мережного устаткування.

Площина сигналізації забезпечує встановлення, контроль і поділ з'єднання для технологій, що використовують попереднє встановлення фізичного чи віртуального з'єднання. Площина сигналізації притаманна, наприклад, телефонним мережам загального користування і мережам, працюючим за АТМ технологією. Площина сигналізації, за необхідності, може містити півплощини. Наприклад, півплощина контролю (Control), котра забезпечує встановлення з'єднання в мережному інтерфейсі і півплощина метасигналізаціі, вона забезпечує встановлення з'єднання в інтерфейсі користувач - мережа.

Площина маршрутизації забезпечує просування пакетів мережею від користувача до користувача. Для розв'язання цієї задачі необхідно мати адекватну інформацію про структуру і властивості мережі. Тому доцільно ввести півплощину збирання інформації про стан мережі. Така інформація зазвичай міститься в таблицях. Для автоматизованого складання таблиць розроблено протоколи маршрутизації. Найбільш відомі протоколи маршрутизації RIP (Ronting Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First) - відкритий протокол «найкоротший шлях першим». Для складання таблиць маршрутизації необхідно сформувати маршрутну інформацію, а потім передати її за призначенням, прийняти її і потім опрацювати. Тому потрібен стек протоколів. Наприклад, RIP, TCP, IP, Ethernet. Таким чином, виходячи з даного подання, RIP є протоколом прикладного рівня. В літературі протокол RIP часто відносять до мережного рівня. У кращому разі вводиться функціональна модель маршрутизатора.

Другою може бути півплощина автоматизованого процесу призначення логічних адрес. В мережі Internet - це IP адреси. Тут використовується протокол прикладного рівня Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP).

Третьою може бути півплощина установлення відповідності між логічною і фізичною адресами портів (вузлів). Серед таких протоколів найбільш відомий є протокол розрізнення адреси Address Resolution Protocol (ARP).

Четвертою може бути півплощина установлення відповідності між символьними і логічними адресами. Тут існує кілька технологій як для плоских у локальних мережах Novell Net Ware, Microsoft Windows, IBM OS/2 так і ієрархічних імен у глобальних мережах, де створюється спеціальна система доменних імен (Domain Name System, DNS).

Серед площин обов'язково має бути площина керування, коли одна підсистема керує іншою. Тут нас цікавлять протоколи, що описують взаємодію менеджер - агент. Стандарт керування в Internet базується на протоколі прикладного рівня SNMP - Simpl Network Management Protocol - простий протокол керування мережею. Протокол SNMP може працювати зі стеком протоколів TCP, UDP, IP чи IPX/SPX. У вже згадуваному стандарті ISO - OSI Management Framework - обмін керуючою інформацією уже відбувається між суб'єктами додатків керування системами [Systems Management Application Entities (SMAE)]. Прикладами SMAE є агенти і менеджери. Для обміну інформацією між додатками використовуються всі рівні моделі ВВС, утворюючи площину керування. У цьому стандарті протоколом прикладного рівня є загальний протокол інформації керування [Common Management Information Protocol (CMIP)]. Для обміну інформацією між функціональними блоками на нижніх рівнях моделі ВВС використовуються протоколи (інтерфейси) типів Q, F і Х. Якщо мати на увазі стандарти, розроблені ISO, то площина керування може розбиватися на півплощини, а саме:

Керування системами, коли керування здійснюється на сімох рівнях моделі ВВС;

Керування N-рівнем, коли керування здійснюється на одному чи декількох рівнях моделі ВВС;

Операцій N-рівня, коли керування здійснюється на основі керуючої інформації, що міститься в комунікаційних протоколах лише даного рівня.

Окремі функціональні задачі виконує система синхронізації. Тому необхідно також увести площину синхронізації, хоча вона і не охоплює всіх рівнів.

Однією з головних задач, розв'язуваних мережею зв'язку є забезпечення безпеки інформації і якості обслуговування. З огляду на важливість даних задач слід в кожній площині виділити півплощини захисту інформації і якості обслуговування. Узагальнену модель взаємодії відкритих систем показано на рисунку 2.1.

Повернімося до семирівневої моделі ВВС. На кожнім рівні до даних, які необхідно передавати, додається інформація про даний рівень у заголовок пакета. Уся додаткова інформація належить до накладних витрат, що зменшує швидкість передавання корисної інформації. окрім цього сьогодні існує проблема об'єднання мереж, що працюють за різними технологіями. Склалася термінологія «технологія А» поверх (over) «технології В». Наприклад, IP over АTМ, може бути і навпаки АTМ over IP.

2.3 Математичні моделі процесів інкапсуляції та передачі даних

В основі концепції взаємодії телекомунікаційних та інформаційних систем покладена семирівнева модель взаємодії відкритих систем (Open System Interconnection-OSI), яка стандартизована ITU- T. Для оптимальної взаємодії відкритих систем (ВВС) розробники окремих мережевих технологій, зокрема B - ISDN, ввели для структуризації функцій (протоколів) канального і фізичного рівнів поняття площин. Розроблено узагальнену модель ВВС, яка структурує функції взаємодії систем, як по рівнях, так і по площинах. Подальший розвиток моделі ВВС, більшою мірою стосується не вербального, а математичного опису взаємодії систем. Це опис виконано без деталізації функціональних перетворень переданих даних, що з одного боку робить його узагальнюючим, а з іншого боку вимагає в процесі аналізу та оптимізації взаємодії систем конкретизації перетворення функцій.

2.3.1 Узагальнена інформаційна модель взаємодії систем

Для математичного опису цих перетворень в [10] використані матричні рівняння. Ці рівняння застосовані для математичного опису кількісних змін інформації, що відбуваються при передачі та обробці даних відповідно з функціональним призначенням рівнів і площин моделі ВВС. Відповідно, що при русі даних "вниз" від сьомого рівня моделі ВВС до першого (режим передачі) відбувається збільшення кількості інформації, а при русі даних "вгору" від першого рівня до сьомого (режим прийому) - зменшення.

Об'єкти взаємодіючих інфокомунікаційних систем структуровані за N рівнями і підрівнями, а також по M площинах і півплощинах. Для опису процесу зміни кількості інформації об'єктами n-го рівня різних площин ВВС введена квадратна матриця порядку М

. (2.1)

Елементами матриці є перетворення функції , яка описує перетворення даних(сигналів), які призводять до зміни кількості інформації, де. Стрілка у верхньому індексі функції означає, що перетворення виконуються при просуванні інформації від вищого рівня до нижчого рівня. Тому - вектор-стовпець, елементи якого відображають кількість інформації на виходах об'єктів k-х площин (півплощин) n-го рівня (підрівня) ВВС, .

Якщо відомий вектор, що описує кількість інформації на виходах М об'єктів n+1рівня моделі ВВС, в також квадратна матриця транспонована до вихідної матриці (2.1), то легко знайти вектор кількості інформації на виходах М об'єктів n-го рівня

. (2.2)

Тут за нульовий рівень (n=0) приймає середу передачі.

У загальному випадку зв'язок між кількістю інформації на виходах М об'єктів n-го і m+1 рівнів моделі ВВС може бути отримана при рекурентному використанні матричного рівняння (2.2) і властивості асоціативності матриць