Аналіз навантажень при передачі медіатрафіку в каналах взаємодіючих IP-систем

, (2.3)

Де mn. Якщо m=n то формула (2.3) збігається з (2.2).

Переймаючись в рівнянні (2.3) значеннями n і m отримаємо всілякі варіанти, математичного опису зміна кількості інформації, які можуть зустрічати при аналізі та оптимізації, як внутрішньо системних, так і міжсистемних взаємодій об'єктів.

Спрощення матричних рівнянь. Між об'єктами n-го рівня різних площин системи можуть бути відсутні взаємні зв'язки. У цьому випадку елементи, які не належать головній діагоналі матриці і , будуть нульовими. В результаті матричні рівняння значно спрощуються. Наприклад, рівняння (2.3) описують зміну кількості інформації між рівнями m і n передавальної системи, за відсутності зв'язків між об'єктами різних площин прийме вигляд

Формування перетворюють функції. Для оцінки кількості інформації n рівневими об'єктами ВВС необхідно сформувати матрицю перетворення функцій. Обмежимося моделлю ВВС, у якої відсутні зв'язки між об'єктами різних площин. Розглянемо просування інформації від верхніх рівнів моделі ВВС до нижніх. Нехай, наприклад, на вхід об'єктів n-го рівня k-тoй площині надходить деяка кількість інформація . Необхідно оприділити кількість інформації на виході цих об'єктів.

Припустимо, що інформація передається блоками, а кількість інформації в кожному з них задається щільністю ймовірності появи блоку даних заданого обсягу p=f(I). Нехай середній обсяг блоку даних на n-му рівні дорівнює математичному очікуванню кількості інформації.

Розглянемо випадки, коли об'єкти n-го рівня системи, в залежності від свого функціонального призначення можуть:

- не змінювати інформаційних характеристик блоку даних;

- збільшувати кількість інформації в блоках даних на величину ;

- виконувати фрагментацію (сегментацію) блока (потоків) даних і доповнювати (сегменти) управляючою інформацією .

В першому випадку матрицю перетворюючих функцій доцільно описувати одиничною матрицею.

В останньому більш загальному випадку кількість фрагментів . залежить від обсягу даних вступників на вхід об'єкта n-го рівня і використовуваних мережевих технологій передачі даних, що визначають значення

, (2.5)

де - кількість інформації в максимальної одиниці передачі даних (Maximum Transmit Unit - MTU), (*) - операція округлення числа до великого цілого значення.

З врахуванням (2.5) найдемо кількість інформації в переданому повідомленні, фрагментованому на блоків, на виході об'єкта n-го рівня k плоскості

. (2.6)

З формули (2.6) знайдемо коефіцієнт збільшення кількості інформації на виході об'єктів n-го рівня k-тий площині.

. (2.7)

Перетворюючі функції за відсутності зв'язків між об'єктами різних площин збігаються з числовими коефіцієнтами , які більше або рівні одиниці, тобто

кодек аудіо відео протокол

. (2.8)

Запропонована математична модель, що описує кількісні зміни інформації на кожному рівні і площини узагальненої моделі ВВС, може бути використана:

При структуруванні процесів моделювання та оптимізації взаємодії засобів і систем інфотелекомунікацій;

Для порівняльної оцінки інфокомунікаційних технологій, наприклад, за критерієм пропускної спроможності;

При аналізі інформаційних характеристик взаємодіючих систем під впливом перешкод;

При вирішенні завдань оптимізації взаємодії відкритих систем.

2.3.2 Моделювання процесів формування службової інформації та інкапсуляції даних

Розглянута віще узагальнена інформаційна модель [7] не враховує процедури вирівнювання обсягів даних і агрегатування пакетів, а сегментація даних розглядалася для окремого випадку.

Розглянемо основні протокольні процедури перетворення даних у взаємодіючих системах мереж з комутацією пакетів, які призводять до зміни обсягів переданої інформації.

Формування заголовків пакетів. Однією з протокольних процедур являється формування службових даних в заголовках і кінцевих пакетах передаючої системи. Кількість службової (керуючої) інформації, формованої в пакеті на n-м рівні (підрівні) системи, залежить від вида керуючої функції протокола цього рівня (підрівня) і сукупністю параметрів тих процедур,тобто

, , (2.9)

де - кількість інформації, надходить з виходу (n+1)-го рівня (підрівня) на вхід n- го рівня (підрівня) системи; - вектор параметрів процедур протоколу, наприклад адресації, комутації, контролю, пріоритетної обробки, вирівнювання, агрегатування, сегментації, а також стиснення даних; N - кількість рівнів (підрівнів) системи.

Виконавши перетворення(2.9), легко визначимо кількість інформації на виході n-го рівня (підрівня) системи

, . (2.10)

Багато протоколів системи, обробляючи дані, що не перетворюють їх, а лише формують і додають до них службову інформацію. У цьому випадку формула (2.10) спрощується, а значення можна знайти за відомим форматом полів номінального (nominal) функціонально необхідного заголовка (heading) і кінцевика протоколу

, , (2.11)

Де , (2.12)

і відповідно сумарний обсяг, і обсяг i-тих полів номінального функціонально необхідного заголовка протоколу n-го рівня (підрівня) системи; - кількість полів номінального заголовка протоколу n-го рівня (підрівня) системи.

З вищевикладеного випливає, що величина, формована на, n-ному рівні передаючої системи може бути більше нулю, або дорівнювати нулю, а в деяких випадках (стиснення, кодування інформації) - менше нуля.

Інкапсуляція даних. Розглянемо процес перетворення інформації, зокрема зміни її обсягів, між рівнями (підрівнями) m і n передавальної системи, де m>n Застосовуючи формулу (2.12) для рівнів (підрівнів) n+1,n+2,…,m і виконуючи рекурентні підстановки, знайдемо кількість інформації на виході n-го рівня (підрівня) системи

, , (2.13)

де - кількість інформації, надходить з виходу рівня (підрівня) m +1 на вхід рівня (підрівня) m; - сумарна кількість службової інформації в блоці даних, що формується модулями комунікаційних протоколів, які функціонують між рівнями (підрівня) m і n

, . (2.14)

Вважаючи в (2.14) m = N, а n = 1, можна визначити загальний обсяг службової інформації в блоці даних користувача на виході системи.

Розглянута модель процесів формування службової інформації враховує основні процедурні особливості, характерні для широкого спектра протоколів мереж з комутацією пакетів. Зокрема, це формування і вирівнювання обсягів протокольних заголовків і/або даних, інкапсуляція і агрегатування пакетів, сегментування даних.

Використання запропонованої моделі дає можливість надалі :

Проводити дослідження співвідношень між обсягами службової та інформації користувача для широкого спектра протоколів мереж з комутацією пакетів;

Вибирати оптимальні стеки протоколів систем, застосовуючи як критерію, наприклад, мінімум обсягу службових даних (максимум ефективності за пропускної спроможності);

2.4 Стислі висновки

При розробці окремих технології відбувалася декомпозиція рівнів та в водилися площини Проаналізувавши математичні моделі взаємодії систем, також розглянувши моделі процесів формування службової інформації врахувавши основні процедурні особливості, характерні для широкого спектра протоколів мереж з комутацією пакетів. Результати можуть бути використані для аналізу надлишкової інформації. Розроблена математична модель, що описує кількісні зміни інформації на кожному рівні і площині узагальненої моделі ВОС, може бути використана:

При структуруванні процесів моделювання та оптимізації взаємодії засобів і систем інфотелекомунікацій ;

Для порівняльної оцінки інфокомунікаційних технологій, наприклад, за критерієм пропускної спроможності;

При аналізі інформаційних характеристик взаємодіючих систем під впливом перешкод;

3. АНАЛІЗ НАДЛИШКОВОЇ ІНФОРМАЦІЇ ІР СИСТЕМ ПЕРЕДАЧІ МЕДІАТРАФІКУ

3.1 Постановка задачі

Однією із практичних задач вирішуваних при передачі медіатрафіку в ІР мережах є обґрунтування та вибір достатньої пропускної здатності каналу зв'язку. При цьому необхідно враховувати, що частина пропускної здатності каналу зв'язку буде витрачатись на передачу службової інформації протоколів взаємодіючих ІР систем, яку вважають надлишковою по відношенню до інформації додатків користувача.

Метою даного розділу є аналіз інформаційної надлишковості пакетів медіатрафіку в каналах взаємодіючих ІР систем.

Важливими етапами дослідження інформаційної надлишковості пакетів медіатрафіку є застосування математичних моделей оцінки обсягів інформації при інкапсуляції пакетів, аналіз обсягів службової (технологічної) інформації ієрархічних сполучень протоколів ІР систем та формування критерію оцінки інформаційної надлишковості пакетів медіа даних.

3.2 Аналіз обсягів службової інформації протоколів ІР систем передачі медіатрафіку

Комунікаційні протоколи ІР систем відповідно до функцій n-рівневих об'єктів моделі взаємодії відкритих систем OSI мають забезпечити передачу даних у мережі. Ефективність передачі даних при взаємодії цих систем залежить від застосовуваних стеків комунікаційних протоколів, використовуваних мережних технологій, обсягів пакетів з користувальницькими даними, інформаційної надлишковості заголовків цих протоколів тощо.

Розглянемо процедури формування обсягів службової інформації протоколів системи. Об'єкт комунікаційного протоколу і-го рівня/підрівня відкритої системи у процесі формування пакета до інформації отриманої від протоколу (і+1)-го рівня/підрівня додає службову (керуючу) інформацію, обсягом . У загальному випадку, процедура формування обсягу технологічної інформації комунікаційним протоколом і-го рівня/підрівня відкритої системи може складатися з формування:

- основного (basic) заголовка й кінцевика обсягом ;

- добавленого (adding) заголовка обсягом ;

- розширеного (extension) заголовка обсягом ;

- технологічного доповнення (padding) обсягом в процесі вирівнювання заголовка чи даних тощо.

Тобто, загальний обсяг технологічної інформації в пакеті даних протоколу і-го рівня/підрівня системи може складатися з зазначених вище обсягів

, . (3.1)

Обсяг інформації у заголовках протоколу і-го рівня/підрівня системи можна знайти за сумою обсягів інформації в присутніх j-х полях цих заголовків, наприклад для основного (базового) заголовка

, . (3.2)

Для розрахунку обсягу сумарної кількості керуючої (технологічної) інформації транспортних технологій і протоколів для взаємодії систем та передачі даних використаємо розглянуту в другому розділі математичну інформаційну модель інкапсуляції пакетів [6].

У процесі інкапсуляції даних протоколом m-го рівня/підрівня системи необхідно враховувати значення максимальної одиниці передачі даних MTU (Maximum Transmission Unit) протоколу n-го рівня/підрівня. Використовуючи інформаційну модель інкапсуляції (2.13) можна розрахувати значення MTU пакета протоколу m-го рівня/підрівня системи за формулою:

, , (3.3)

де - значення MTU протоколу n-го рівня/підрівня системи; -сумарна кількість службової інформації в пакеті між рівнями/підрівнями m та n+1 системи.

Параметр (3.3) визначає максимальну кількість корисної інформації у одному пакеті, яку можуть переносити комунікаційні протоколи між рівнями/підрівнями m та n системи.

Виконаємо аналіз обсягів службової інформації протоколів медіа систем. Для розрахунку обсягів службової інформації, яку формують об'єкти i-х рівнів/підрівнів протокольної моделі OSI розглянемо формати заголовків пакетів, кадрів розглянутих у першому розділі сучасних транспортних технологій та протоколів медіа систем.

Не залежно від швидкості передачі технології Ethernet використовують практично однакові типи МАС (Media Access Control) кадрів [2]. Кадр підрівня МАС стандарту ІЕЕЕ 802.3 утримує 5 полів: адреса призначення DA (Destination Address) та адреса джерела SA (Source Address) по 6 байт; тип протоколу чи довжина даних T/L (2 байта); дані обсягом від 0 до = 1500 байт; послідовність контролю кадру FCS (Frame Check Sequence) обсягом 4 байта. Якщо обсяг даних менше 46 байт, то за допомогою поля Padding обсяг поля даних доповнюється довільними бітами до 46 байт. За формулами (3.1), (3.2) визначимо обсяг службової інформації МАС кадру Ethernet: , де = 18 байт, а 046 байт.

Для півдуплексного режиму в мережі Gigabit (GbE) Ethernet з максимальним діаметром 200 м обсяг мінімального МАС кадру = 64 байта доповнюється до 512 байт за рахунок заборонених символів коду 8В/10В у полі розширення (Extention). В цьому випадку обсяг керуючої та технологічної інформації МАС кадру даних технології GbE складатиметься з обсягів: , де 0448 байт.

На фізичному рівні технології Ethernet формуються два поля заголовка: обмежувач початку кадру SFD (Start of Frame Delimiter) 1 байт та преамбула (Preamble) 7 байт. Між кадрами Ethernet при їх послідовній передачі дотримується певна технологічна часова пауза IPG (Inter Packet Gap), протяжність якої еквівалентна передачі 12 байт інформації [2]. Обсяг заголовка фізичного рівня технології Ethernet разом з паузою IPG складає = 20 байт. При інкапсуляції кадру Ethernet в контейнер SDH заголовок фізичного рівня відкидається.

Клин-заголовок технології MPLS для однієї позначки утримує 4 поля: ідентифікатор значення позначки 20 біт, резерв для досліджень та диференціювання класу обслуговування QoS (Quality of Service) 3 біта, ідентифікатор дна стека позначок 1 біт, час життя ТТL (Time to Live) 8 біт. При створенні додаткових lт тунелів в LSP тракті обсяг клин-заголовка MPLS збільшується в lт раз. Отже, керуюча й технологічна інформації клин-заголовка протоколу MPLS складатиметься з обсягів: , де =4 байта; байт, lт = {1, 2, …}.

Пакет протоколу UDP утримує 5 полів [16]: ідентифікатори портів джерела SP (Source Port) та призначення DP (Destination Port) по 2 байта, поле довжини (Length) датаграми 2 байта, контрольної суми (Checksum) 2 байта, яка розраховується для псевдозаголовка та поле даних обсягом , де - значення MTU протоколу мережного рівня. Обсяг заголовка UDP складатиме 8 байт.

Пакет протоколу RTP утримує 8 полів основного заголовку обсягом 12 байт, додаткового заголовку, який утримує ідентифікаторів CSRC сприяючих джерел, чиї дані присутні в корисному навантаженні та розширеного заголовку, який складається з ідентифікаторів профілю навантаження і довжини EHL розширення заголовку по 16 біт та технологічних даних розширеного заголовку, обсягом кратним 32 біт. Загальний обсяг службової інформації протоколу RTP складається з обсягів: , де = 12 байт, байт, , байт.

Пакет протоколу ІРv.4 утримують поля: основного заголовка загальним обсягом 20 байт, розширеного заголовка до 40 байт, вирівнювання розширеного заголовка та дані змінного обсягу . Для протоколу ІРv.4 байт [16]. Практично обсяг даних протоколу ІРv.4 обмежується значенням MTU протоколу канального рівня, тобто . Заголовок протоколу ІРv.4 складатиметься з таких обсягів керуючої й технологічної інформації: , де = 20 байт, байт, .

Пакет протоколу ІРv.6 утримує поля: основного заголовка загальним обсягом 40 байт, додаткові заголовки змінних чи фіксованих обсягів, наприклад фрагментації (64 біт), аутентифікації (variable, біт) тощо та дані змінного обсягу. Обсяг заголовка ІРv.6 складатиме , де = 40 байт, .

Результати аналізу обсягів службової інформації заголовків протоколів та значення обсягів даних для розглядуваних вище транспортних технологій медіа систем зведено у табл. 3.1.

Таблиця 3.1 - Обсяги інформації протоколів та транспортних технологій

№	Кадри, пакети технологій та протоколів	Рівні OSI	Обсяг заголовка , байт	Обсяг даних , байт	Примітки
1	MAC кадр Ethernet	1-2		0…1500
2	заголовок MPLS	2++	4lт	var	тунелів
3	пакет протоколу ІРv.4	3			байт,
4	пакет ІРv.6	3
5	UDP датаграма	4	8		-
6	пакет протоколу RTP	7		var	,

3.3 Критерії оцінки надлишкової інформації протоколів медіа систем

Інформаційну надлишковість стека протоколів систем комутації пакетів оцінюють за допомогою абсолютних та відносних критеріїв:

- сумарний обсяг службової інформації в пакеті між протокольними підрівнями m та n системи, де ;

- коефіцієнт зміни кількості інформації між підрівнями m та n системи, який визначають за відношенням ;

- коефіцієнт додаткових інформаційних втрат, який визначають за відношенням [8];

- коефіцієнт надлишкової інформації, який вказує на частку службової інформації в інформаційному пакеті між протокольними підрівнями m та n системи [8].

У подальших дослідженнях для оцінки інформаційної надлишковості стеків протоколів системи будемо використовувати відносний критерій - коефіцієнт надлишкової інформації у пакеті

, . (3.4)

Критерій (3.4) оцінки інформаційної надлишковості стеків протоколів системи зв'язаний з критеріями та простим співвідношенням

, . (3.5)

3.4 Дослідження інформаційної надлишковості медіа пакетів взаємодіючих ІР систем

3.4.1 Аналіз обсягів службової інформації протоколів у медіа пакетах

Для передачі медіатрафіку на прикладному рівні взаємодіючих систем застосовують протокол RTP. Пакети протоколу RTP інкапсулює протокол UDP. Міжмережна взаємодія систем базується на протоколі ІР (Internet Protocol) четвертої IPv4 або шостої IPv6 версій. В фізичних каналах систем комутації пакетів можуть використовувати протоколи технології GbE тощо. Для підвищення продуктивності передачі медіа даних на магістральних ділянках ІР мережі застосовують технологію комутації за позначками MPLS.

Таким чином взаємодію медіа додатків систем в ІР мережі можуть забезпечувати ієрархічні комбінації протоколів, зокрема, RTP/UDP/ІР/GbE. При застосуванні технології MPLS ієрархія протоколів дещо збільшується RTP/UDP/ІР/MPLS/GbE, але маршрутизатори MPLS оброблюють у пакеті заголовки протоколів нижніх рівнів, тобто заголовки MPLS/GbE.

Інформаційний блок даних (пакет, кадр) будь-якої медіа системи складається з інформації кодера (coder), обсягом та службової інформації у заголовках комунікаційних протоколів системи (system), обсягом, . З урахуванням цих позначень формула (3.4) матиме вигляд

. (3.6)

Використовуючи дані табл. 3.1 розрахуємо обсяги службової інформації протоколів відкритої системи у медіа пакеті. Результати розрахунків подані в табл. 3.2. Значення відповідають застосуванню протоколів RTP, ІРv4 та ІРv6 з мінімальними обсягами заголовків. Зауважимо, що пакети технології GbE канального рівня (k = 2), можуть переносити змінні обсяги інформації, але не більше ніж =1500 байт.

Таблиця 3.2 - Обсяги службової інформації протоколів у медіа пакетах

Стек протоколів	,байт	Примітка
RTP/UDP/ІРv4/GbE	66
RTP/UDP/ІРv6/GbE	86
RTP/UDP/ІРv4/MPLS/GbE	74
RTP/UDP/ІРv6/MPLS/GbE	94

3.4.2 Дослідження надлишкової інформації аудіо пакетів

Для накопичення відліків аудіо кодером потребується затримка передбачення (look-ahead) , та затримка алгоритму кодування . Тому затримка кадру аудіо кодера є сумою цих затримок [8]

. (3.7)

Обсяг даних аудіо кодера у медіа пакеті пропорційний швидкості кодування відліків голосового сигналу та часу їх кодування

, (3.8)

У ІР системах для передачі голосу використовують рекомендовані ITU-T аудіо кодеки G.711, G.726, G.723.1, G.729. Результати розрахунків обсягу даних розглянутих вище аудіо кодерів у медіа пакетах представлені в табл. 3.3.

Використовуючи обсяги службової інформації протоколів системи (табл. 3.2) та обсяги даних аудіо кодерів (табл. 3.3) за формулою (3.6) розрахуємо коефіцієнт надлишкової інформації аудіо пакетів на виході ТСР/ІР систем.

Таблиця 3.3 - Інформаційні параметри аудіо кодеків

Тип аудио кодера	Алгоритм кодирования	, кбіт/с	, мс	, мс	, мс	, біт
G.711	PCM	64	0,125	0	0,125	8
G.726	ADPCM	32	0,125	0	0,125	4*
G.723.1	MP-MLQ ACELP	6,3	30	7,5	37,5	189*
		5,3	30	7,5	37,5	159*
G.729	CS-ACELP	8	10	5	15	80
* - обсяг даних аудіо кодера доповнюється до цілого числа байт

Результати розрахунків надлишкової інформації в аудіо пакетах на виході медіа систем представлені в табл. 3.4.

Таблиця 3.4 - Коефіцієнт надлишкової інформації аудіо пакетів

Стек протоколів	G.711	G.726 (32 кбіт/c)	G.723.1 (6.3 кбіт/c)	G.723.1 (5.3 кбіт/c)	G.729
RTP/UDP/ІРv4/GbE	0,9851	0,992	0,7366	0,7674	0,8684
RTP/UDP/ІРv6/GbE	0,9885	0,994	0,7846	0,8113	0,8958
RTP/UDP/ІРv4/MPLS/GbE	0,9867	0,999	0,7581	0,7872	0,8706
RTP/UDP/ІРv6/MPLS/GbE	0,9895	0,999	0,7993	0,8245	0,9038

3.4.3 Дослідження надлишкової інформації відео пакетів

Виконаємо аналіз інформаційних параметрів цифрових відео кодеків медіа систем. В якості прикладу розглянемо відео кодек H.264/MPEG-4 Part 10 або AVC (Advanced Video Coding). Цей кодек використовує формат стиснення відео, який даний час є одним з найбільш часто застосовуваних форматів для запису, стиснення і розподілу відеоконтенту. Він містить ряд нових функцій, які дозволяють йому стискати відео набагато ефективніше і забезпечити більшу гнучкість для застосування в найрізноманітніших мережних середовищах.

При кодуванні кадру відео кодеком H.264/AVC виділяються та кодуються макроблоки (macroblock) зображення обсягом 16x16 виборок (пікселів). Кількість макроблоків у кадрі зображення залежить від кількості пікселів у кадрі (frame) тобто екранного розширення та кількості пікселів у макроблоці

. (3.9)

Максимальна кількість макроблоків, що передається за секунду пропорційна частоті зміни кадрів

. (3.10)

Кількість інформації у макроблоці відео кодера пропорційна кількості пікселів у макроблоці та кількості біт , якими кодується піксель зображення

. (3.11)

Стандарт H.264/MPEG-4 Part 10 визначає комплекти можливостей, які називають профілями, що орієнтовані на конкретні класи додатків, наприклад:

- BP (Baseline Profile) базовий профіль - застосовується в недорогих продуктах, що вимагають додаткової стійкості до втрат (відео конференції, мобільні продукти);

- ХР (Extended Profile) розширений профіль - призначений для потокового відео, маєс відносно високий ступінь стиснення і додаткові можливості для підвищення стійкості до втрати даних;

- МР (Main Profile) основний профіль - застосовується для цифрового телебачення стандартної чіткості в трансляціях, що використовують стиснення MPEG-4 відповідно до стандарту DVB;

- НіР (High Profile) високий профіль - є основним для цифрового мовлення та відео на оптичних носіях, особливо для телебачення високої чіткості. Використовується для Blu-Ray відеодисків і DVB HDTV мовлення;

- Hі10P (High 10 Profile) високий профіль 10 - додатково підтримує 10-бітову глибину кодування зображення.

В таблиці 3.6 представлений деякі стандартизовані рівні з максимальними параметрами [20]. Рівнем називають певний набір обмежень, що вказують ступінь необхідної продуктивності декодера для профілю. Підтримка рівня й профілю для застосування в декодері вказує на максимальне екранне розширення зображення, частоту кадрів, швидкість відео потоку, максимальну ємність буфера декодованого зображення DPB (Decoded Picture Buffer), що зберігає кадри для забезпечення передбачення значень вибірок в інших картинах. Декодер, який відповідає певному рівню, повинен декодувати всі потоки бітів, які кодуються для цього рівня та для всіх нижчих рівнів.

Таблиця 3.5 - Рівні з максимальними параметрами відео кодерів

Рівні	Макс. кількість макроблоків	Макс. швидкість відео потоку, кбіт/с	Приклади екранних розширень
	за секунду	у кадрі	ВР, ХР, МР	НіР	Ні10Р	, піксель	, кадр/с	макс. ємн. DPB, кадр
1	1485	99	64	80	192	128Ч96 176Ч144	30,9 15,0	8 4
1b	1485	99	128	160	384	128Ч96 176Ч144	30,9 15,0	8 4
1.1	3000	396	192	240	576	176Ч144 320Ч240 352Ч288	30,3 10,0 7,5	9 3 2
1.2	6000	396	384	480	1152	320Ч240 352Ч288	20,0 15,2	7 6

Максимальна швидкість передачі відео потоку для базових BP, розширених ХР і основних МР профілів декодера відповідно в 1.25 та 3 рази менша ніж для високих профілів НіР та Hi10P.

Максимальну ємність буфера кадрів декодованого зображення DPB обчислюють таким чином [20]

capacity = min(floor(MaxDpbMbs /(PicWidthInMbs * FrameHeightInMbs)), 16),

де MaxDpbMbs є постійною величиною, яка залежить від номера рівня (табл. 3.7), PicWidthInMbs і FrameHeightInMbs є ширина і висота зображення для кодованих відеоданих, виражена в одиницях макроблоків (округлюється до цілих значень).

Таблиця 3.6 - Залежність MaxDpbMbs від рівня кодера H.264/AVC

Рівень обмежень кодера	1	1b	1.1	1.2
MaxDpbMbs	396	396	900	2376

Наприклад, для зображення 320Ч240 пікселів PicWidthInMbs = 320/14 = 20, а FrameHeightInMbs = 15. Для рівня 1.2 декодера максимальна ємність буфера декодованого зображення - floor(2376/(20 * 15)) = 7 кадрів,

Використовуючи характеристики відео кодека H.264/AVC (табл. 3.6), за формулою (3.11) визначимо обсяг даних відео кодера у медіа пакеті. Результати розрахунків обсягу медіа даних відео кодека H.264/AVC для розглянутих вище профілів представлені в табл. 3.7.

Таблиця 3.7 - Інформаційні параметри профілів відео кодека H.264/AVC

Інформаційні параметри	Профілі кодека H.264/AVC
	1	1b	1.1	1.2
Кількість макроблоків у кадрі зображення	99	99	396	396
Макс. кількість макроблоків за секунду	1485	1485	3000	6000
Кількість пікселів у макроблоці , біт	256	256	256	256
Кількості інформації у пікселі , біт	16	16	16	16
Кількість інформації у макроблоці , біт	4096	4096	4096	4096

Результати розрахунків інформаційної надлишковості відео пакетів у каналах ІР систем, які генерують відео кодеки H.264/AVC розглянутих вище профілів приведені в табл. 3.8.

Таблиця 3.8 - Інформаційна надлишковість пакетів кодека H.264/AVC

Стек протоколів	*/ІРv4/GbE	*/ІРv6/GbE	*/ІРv4/MPLS/GbE	*/ІРv6/MPLS/GbE
Надлишковість інформації	0,1141	0,1438	0,1262	0,1551

3.4.4 Аналіз інформаційної надлишковості медіа пакетів

За результатом дослідження інформаційної надлишковості аудіо пакетів взаємодіючих ІР систем для розглянутих вище стеків протоколів та аудіо кодеків можна зробити наступні висновки.

Найбільшою інформаційною надлишковістю володіють голосові пакети, що генеруються кодеком G.726 (32 кбіт/с), а найменшою - G.723.1 (5,3 кбіт/с) (рис. 3.1).

Використання протоколу ІРv6 замість ІРv4 призводить до збільшення коефіцієнта надлишковості аудіо пакета. Зокрема, при використанні технології GbE та кодека G.723.1 (5,3 кбіт/с) інформаційна надлишковість ІРv6 аудіо пакета збільшиться на 0,83%.

Для мінімізації надлишковості переданої голосової інформації системи ІР телефонії доцільно налаштовувати із застосуванням низько швидкісного кодека G.723.1, який агрегує голосові відліки в кадри.

Інформаційна надлишковість аудіо пакетів ІР телефонії у каналах домену з MPLS технологією дещо збільшується. Зокрема, при використанні технології MPLS та протоколу ІРv4 інформаційна надлишковість аудіо пакета кодека G.723.1 (5,3 кбіт/с) збільшиться на 1,04%.

Рисунок 3.1 - Коефіцієнт інформаційної надлишковості аудіо пакетів

За результатом дослідження інформаційної надлишковості відео пакетів, які формуються кодеком H.264/AVC та інкапсулюються вище розглянутими протоколами ІР систем можна зробити наступні висновки.

Відео пакети ІР систем мають значно нижчу інформаційну надлишковість (11…15%) у порівнянні з аудіо пакетами (73…99%).

Використання протоколу ІРv6 замість ІРv4 для передачі відео пакета приводить до збільшення коефіцієнта надлишковості медіа пакета. Зокрема, при використанні технології GbE та кодека H.264/AVC інформаційна надлишковість ІРv6 відео пакета збільшиться на 2,97% (рис. 3.2).

Використання технології MPLS дещо збільшує інформаційну надлишковість аудіо пакетів ІР телефонії. Зокрема, при використанні технології MPLS та протоколу ІРv4 інформаційна надлишковість відео пакета кодека H.264/AVC збільшиться на 1,21%.



Рисунок 3.2 - Коефіцієнт інформаційної надлишковості відео пакета H.264/AVC

3.5 Стислі висновки

Проведені дослідження інформаційної надлишковості стеків протоколів систем ІР телефонії. Проаналізувавши можна сказати що найбільшою інформаційною надлишковістю володіють голосові пакети, що генеруються кодеком G.726 а найменшою - G.723.1.

За результатом дослідження інформаційної надлишковості відео пакетів, які формуються кодеком H.264/AVC і зробивши аналіз можна сказати що відео пакети ІР систем мають значно нижчу інформаційну надлишковість у порівнянні з аудіо пакетами.

Для оцінки інформаційної надлишковості стеків протоколів доцільно використовувати критерій - коефіцієнт надлишкової інформації у пакеті.

4. АНАЛІЗ НАВАНТАЖЕНЬ В КАНАЛАХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧІ МЕДІАТРАФІКУ

4.1 Постановка задачі

Ефективна передача медіа даних в ІР мережі потребує забезпечення балансу між завантаженістю ресурсів мережі та якістю обслуговування. Для вирішення цієї проблеми використовують різні засоби та механізми запобігання перевантажень в ІР мережі, зокрема, динамічна оптимізація шляхів передачі трафіку, застосування ефективних методів комутації пакетів та алгоритмів керування чергами в вузлах мережі, використання механізмів фрагментації пакетів тощо. Тому важливим є проведення досліджень навантажень в каналах взаємодіючих систем, зокрема, при передачі голосових та відео кадрів.

Метою даної роботи є аналіз навантажень в каналах взаємодіючих систем при передачі даних кодеків ІР телефонії.

4.2 Параметри та критерії оцінки навантажень медіа потоків

Основними параметрами, які впливають на трафік медіа потоків є кількість корисної інформації аудіо та відео кодера , кількість службової інформації протоколів медіа системи , продуктивність кодера , швидкість швидкістю кодування інформації кодером та швидкість передачі інформації медіа пакетів на виході системи .

Продуктивність відео кодера при відсутній агрегації макроблоків у медіа пакет визначають за формулою (3.10), тобто .

Продуктивність аудіо кодера при відсутній агрегації голосових кадрів у медіа пакет визначають за швидкістю кодування голосової інформації та кількістю інформації у голосових кадрах кодера [9]

. (4.1)

При агрегації кадрів кодера в медіа пакет продуктивність генерування кодером агрегатних медіа пакетів зменшується, а кількість інформації у агрегатному медіа пакеті кодера збільшується [9]

, (4.2)

. (4.3)

Кількість інформації на виході системи, яка передається у агрегатних медіа (аудіо та відео) пакетах за інтервал часу Т (звичайно Т = 1 с) визначимо за формулою [10]

. (4.4)

Використовуючи формулу (4.4) та вважаючи що кількість агрегатних медіа пакетів, які генерує кодер за термін часу Т пропорційна продуктивності кодера, тобто Т, знайдемо швидкість передачі інформації медіа пакетів на виході системи

, (4.5)

де - швидкість передачі службової інформації медіа пакету на виході системи

4.3 Аналіз продуктивності системи при передачі медіатрафіку

Продуктивність медіа системи залежить від продуктивності медіа (аудіо, відео) кодеків і не залежить від застосовуваних транспортних протоколів. Використовуючи формулу (4.2) проведемо аналіз продуктивності системи при передачі агрегатних голосових та відео пакетів.

Результати розрахунків продуктивності системи при передачі аудіо трафіку у залежності від кількості голосових кадрів в агрегатному аудіо пакеті представлені в табл. 4.1.

Таблиця 4.1 - Продуктивність системи при агрегації g голосових кадрів

Тип аудіо кодера	Продуктивність системи , пакет/с
	g = 1	g = 2	g = 3	g = 4	g = 10	g = 50	g = 100	g = 150	g = 200
G.711, G.726	8000	4000	2666	2000	800	160	80	53,33	40
G.729	100	50	33,33	25	10	-	-	-	-
G.723.1	33,33	16,66	11,11	8,33	-	-	-	-	-

Агрегація голосових кадрів більш ефективна для високошвидкісних кодерів. Зокрема, при агрегації 100 кадрів кодера G.711 у пакет продуктивність системи зменшується до 80 пак/с, а затримка збільшується до 12,5 мс, що не перевищує продуктивності та затримки кодера G.729 при відсутній функції агрегації кадрів. При агрегації голосових кадрів аудіо кодерів G.729 та G.723.1 у пакет через збільшення затримки агрегації пакету варто обмежити кількість агрегатних кадрів у пакеті значеннями g = 10 та g = 4 відповідно (рис. 4.1).



Рисунок 4.1 - Продуктивність системи при агрегації g голосових кадрів

Результати розрахунків продуктивності медіа системи з відео кодеками H.264/AVC у залежності від кількості макроблоків в агрегатному відео пакеті представлені в табл. 4.2.

Таблиця 4.2 - Продуктивність системи з відео кодеками H.264/AVC при агрегації g макроблоків у відео пакет

Рівень кодера H.264/AVC	Продуктивність системи , пакет/с
	g = 1	g = 2	g = 3	g = 4	g = 5	g = 6	g = 7	g = 8	g = 9
1	1485	742,5	495	371,2	297	247,5	212,1	185,6	165
1.1	3000	1500	1000	750	600	500	428,5	375	333,3
1.2	6000	3000	2000	1500	1200	1000	857,1	750	666,6

Продуктивність відео системи при агрегації g макроблоків відео кадру кодера у пакет зменшується (рис. 4.2). Але через збільшення обсягу пакету та затримки агрегації пакету необхідно обмежити кількість агрегатних макроблоків кодера H.264/AVC у відео пакеті.



Рисунок 4.2 - Продуктивність системи при агрегації g відео кадрів

4.4 Аналіз навантажень в каналах взаємодіючих ІР систем при передачі медіатрафіку

4.4.1 Дослідження швидкості передачі агрегатних аудіо пакетів

Використовуючи формулу (4.5) проведемо аналіз швидкості передачі агрегатних аудіо пакетів у каналах ІР систем в залежності від кількості голосових кадрів у агрегатних голосових пакетах. Результати розрахунку з швидкості передачі голосових пакетів у каналах ІР(/MPLS)/GbE систем представлені в табл. 4.3.

Таблиця 4.3 - Швидкість передачі агрегатних аудіо пакетів

Стек протоколів	Аудіо кодек	Швидкість передачі , кбіт/с
		g = 1	g = 2	g = 3	g = 4	g = 10	g = 100	g = 200
*/ІРv4/GbE	G.711	4288	2176	1472	1120	486,4	106,2	95,3
	G.729	60,8	34,4	25,6	21,2	13,2	-	-
	G.723.1	23,9	15,1	12,2	10,6	-	-	-
*/ІРv6/GbE	G.711	5568	2816	1998,6	1440	614,4	119	93,5
	G.729	76,8	42,4	30,9	25,2	14,8	-	-
	G.723.1	29,2	17,7	13,9	12	-	-	-
*/ІРv4/MPLS/GbE	G.711	4800	2432	1642,6	1248	537,6	111,4	87,9
	G.729	67,2	37,6	27,7	22,8	13,9	-	-
	G.723.1	26	16,2	12,8	11,2	-	-	-
*/ІРv6/MPLS/GbE	G.711	6080	3072	2069,3	1568	665,6	141,1	96,1
	G.729	83,2	45,6	33,1	26,8	15,5	-	-
	G.723.1	31,3	18,8	14,6	12,5	-	-	-

Проведемо дослідження швидкості передачі агрегатних відео пакетів кодеків H.264/AVC у каналах ІР систем в залежності від кількості макроблоків у агрегатних відео пакетах. Результати розрахунку з швидкості передачі відео пакетів у каналах ІР(/MPLS)/GbE систем представлені в табл. 4.4.

Для розрахунку таблиці 4.4 для рівнів кодека використали профілі ВР, (базовий профіль), ХР (розширений профіль), МР (основний профіль) Для рівня 1 (64кбіт/с), для рівня 1.1 (192 кбіт/с) і для рівня 1.2 (384 кбіт/с).

Таблиця 4.4 - Швидкість передачі агрегатних відео пакетів кодека H.264

Стек протоколів	Рівні кодека	Швидкість передачі , кбіт/с
		g = 1	g = 2	g = 3	g = 4	g = 5	g = 6	g = 7
*/ІРv4/GbE	1	848,1	456	325,4	260	220,8	194,7	176
	1.1	1776	984	720	588	508,8	456	418,2
	1.2	3552	1968	1440	1176	1017,6	912	836,5
*/ІРv6/GbE	1	1085,6	574,8	404,6	319,4	268,3	234,3	219
	1.1	1968	1080	784	636	547,2	488	445,7
	1.2	4512	2448	1760	1418	1209,6	1072	973,7
*/ІРv4/MPLS/GbE	1	943,1	503,6	357	283,8	239,8	210,5	183,5
	1.1	1968	1080	784	636	547,2	488	445,7
	1.2	3936	2160	1568	1272	1094,4	976	891,4
*/ІРv6/MPLS/GbE	1	1180,7	622,4	436,2	343,2	287,3	250,1	223,5
	1.1	2448	1320	944	756	643,2	568	514,2
	1.2	4896	2640	1888	1512	1286,4	1136	1028,5

4.4.2 Аналіз навантажень в каналах ІР систем при передачі медіатрафіку

За рахунок наявності службової інформації протоколів у медіа пакетах швидкість передачі інформації медіа кодера в каналі взаємодіючих систем значно збільшується. [9]

Зокрема, швидкість передачі інформації аудіо кодера G.711 за рахунок службової інформації стеку протоколів RTP/UDP/ІРv4/GbE збільшується з 64 до 4288 кбіт/с. Але за рахунок агрегації, наприклад, 10 чи 200 голосових кадрів кодера G.711 у пакет зменшується завантаження цього каналу зв'язку відповідно в 8,8 та 45 раз (рис.4.3).

Рисунок 4.3 - Швидкість передачі агрегатних аудіо пакетів G.711

Швидкість передачі інформації аудіо кодера G.729 за рахунок службової інформації стеку протоколів RTP/UDP/ІРv4/GbE збільшується з 8 до 60,8 кбіт/с.

За рахунок агрегації, наприклад, 10 голосових кадрів кодера G.729 у пакет зменшується завантаження каналу цього зв'язку 4,6 раз (рис.4.4).

Рисунок 4.4 - Швидкість передачі агрегатних аудіо пакетів G.729

Швидкість передачі інформації аудіо кодера G.723.1 за рахунок службової інформації протоколів RTP/UDP/ІРv4/GbE збільшується з 6,3 до 23,9 кбіт/с.

За рахунок агрегації, наприклад, 4 голосових кадрів кодера G.723.1 у пакет зменшується завантаження каналу цього зв'язку 3,7 раз (рис.4.5).



Рисунок 4.5 - Швидкість передачі агрегатних аудіо пакетів G.723.1

Швидкість передачі інформації відео кодера H.264/AVC (рівня складності 1) за рахунок службової інформації стеку протоколів RTP/UDP/ІРv4/GbE збільшується з 111,80 кбіт/с до 848,08 кбіт/с (рис.4.6). Тобто службова інформація протоколів RTP/UDP/ІРv4/GbE при передачі відео інформації цього кодера збільшує завантаження каналу в 7,5 раз. Агрегація 4 макроблоків відео кодера H.264/AVC (1b) у пакет зменшить завантаження цього каналу в 2,46 раз.



Рисунок 4.6 - Швидкість передачі агрегатних відео пакетів рівня кодека 1

Швидкість передачі інформації відео кодера H.264/AVC (рівня складності 1.1) за рахунок службової інформації стеку протоколів RTP/UDP/ІРv4/GbE збільшується з 418,2 кбіт/с до 1776 кбіт/с (рис.4.7). Тобто службова інформація протоколів RTP/UDP/ІРv4/GbE при передачі відео інформації цього кодера збільшує завантаження каналу в 4,2 раз.



Рисунок 4.7 - Швидкість передачі агрегатних відео пакетів рівня кодека 1.1

Швидкість передачі інформації відео кодера H.264/AVC (рівня складності 1.1) за рахунок службової інформації стеку протоколів RTP/UDP/ІРv4/GbE збільшується з 836,5 кбіт/с до 3552 кбіт/с (рис.4.7). Службова інформація протоколів RTP/UDP/ІРv4/GbE при передачі відео інформації цього кодера також збільшує завантаження каналу в 4,2 раз



Рисунок 4.8 - Швидкість передачі агрегатних відео пакетів рівня кодека 1.2

4.5 Стислі висновки

По проведеному дослідженню можна сказати що завантаженість каналу значно зменшується якщо використовувати агрегацію аудіо, відео кодеків.

Агрегація голосових кадрів більш ефективна для високошвидкісних кодерів.

Результати розрахунків продуктивності системи при передачі аудіо трафіку залежить від кількості голосових кадрів в агрегатному аудіо пакеті.

Результати розрахунків продуктивності медіа системи з відео кодеками H.264/AVC залежить від кількості макроблоків в агрегатному відео пакеті.

ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

При виконані дипломної роботи були розглянуті загальні принципи технології передачі медіатрафіку в каналах взаємодіючих IP систем. В першому розділі розглянуто параметри та характеристики протоколів аудіо, відео кодеків, а також технологій передачі медіатрафіку.

В другому розділі проведено аналіз математичних моделей взаємодії медіа систем. Зокрема досліджено вербальні моделі взаємодії відкритих систем, а також проаналізовано математичні моделі процесів інкапсуляції та передачі даних.

Третій розділ роботи направлений на дослідження надлишкової інформації IP систем передачі медіатрафіку. Проведено дослідження обсягів службової інформації протоколів IP систем.

За результатом дослідження інформаційної надлишковості медіа пакетів взаємодіючих ІР систем для різних стеків протоколів можна зробити наступні висновки.

Найбільшою інформаційної надмірністю володіють потоки голосових пакетів, що генеруються кодеком G.726 (32 кбіт/с), а найменшою - G.723.1 (5,3 кбіт/с).

Для мінімізації надлишковості переданої голосової інформації системи ІР телефонії доцільно налаштовувати із застосуванням низько швидкісного кодека G.723.1

За результатом дослідження інформаційної надлишковості відео пакетів, які формуються кодеком H.264/AVC і зробивши аналіз можна сказати що відео пакети ІР систем мають значно нижчу інформаційну надлишковість у порівнянні з аудіо пакетами.

В четвертому розділі проведений аналіз навантажень в каналах систем передачі медіатрафіку. Та аналіз продуктивності системи при передачі медіатрафіку.

Передача трафіку ІР систем в мережах з комутацією пакетів є одним з динамічних напрямків розвитку телекомунікації. Це стосується застосування IP систем в мережі Internet та в корпоративних ТСР/ІР мережах. Незважаючи на низку та механізмів підвищення якості передачі медіа трафіку в ІР мережах проблема забезпечення якості ІР систем, особливо в мережі Internet, залишається актуальною задачею.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1 Росляков А.В. IP-телефония / А.В. Росляков, М.Ю. Самсонов, И.В. Шибаева. - М.: Эко-Трендз, 2003. - 252с.

2 Технология и протоколы MPLS / Гольдштейн А.Б., Гольдштейн Б.С. - СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 2005.- 304 с.

3 Телекомунікаційні та інформаційні мережі: Підручник для вищих навчальних закладів / П.П. Воробієнко, Л.А. Нікітюк, П.І. Резніченко. К.: САММІТ-КНИГА, 2010. - 640 с.

4 Воробієнко П.П. Аналіз обсягів технологічної інформації комунікаційних протоколів систем, що взаємодіють, у мережах з комутацією пакетів / П.П. Воробієнко, М.І. Струкало, С.М. Струкало // Зв'язок. - 2011. - № 2 - С. 13-18.

5 Воробиенко П.П. Концепция обобщенной эталонной модели взаимодействия открытых систем / П.П. Воробиенко // Электросвязь. - 2001. - № 10. - С. 14-15.

6 Воробиенко П.П. Моделирование процессов формирования служебной информации при передаче данных в сетях с коммутацией пакетов / [П.П. Воробиенко, М.И. Струкало, И.Ю. Рожновская, С.М. Струкало] // Наукові праці ОНАЗ. - 2009. - № 1. - С. 3-12.

7 Воробиенко П.П. Обобщенная информационная модель взаимодействия систем инфокоммуникаций / П.П. Воробиенко, М.И. Струкало // Электросвязь. - 2004. - № 6. - С. 24-26.

8 Струкало М.І. Аналіз надлишкової інформації комунікаційних протоко-лів систем у магістральних ІР мережах / М.І. Струкало, С.М. Горелік // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2012. - № 1/9 (55).

9 Герасимлюк К.В. Аналіз навантажень кодеків ІР телефонії в каналах мереж з комутацією пакетів / К.В. Герасимлюк, С.В. Коваленко, І.М. Струкало // 67-ма наук.-техн. конф. професорсько-викл. складу, науковців, аспірантів та студентів: 5-7 грудня 2012 р.: матеріали конф. Ч.2. - Одеса, 2012. - С. 22-25.

10 Струкало М.І. Аналіз завантажень каналів систем ІР телефонії агрегатними голосовими пакетами / М.І. Струкало, І.М. Струкало, О.О. Шахов // Інфокомунікації - сучасність та майбутнє: третя міжнародна науково-практична конференція молодих вчених: 17-18 жовтня 2013 р.: збірник тез Ч.1. - Одеса, ОНАЗ, 2013. - С. 74-78.

11 Шахов О.О. Анализ информационной избыточности голосовых потоков ІР телефонии / О.О. Шахов, С.М. Горелик, М.І. Струкало // 68-ма наук.-техн. конф. професорсько-викл. складу, науковців, аспірантів та студентів: 4-6 грудня 2013 р.: матеріали конф. Ч.2. - Одеса, 2013. - С. 80-83.

12 Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2000. - 704 с.

13 Положення про підготовку та захист випускних кваліфікаційних робіт бакалаврів, спеціалістів і магістрів / М.В. Захарченко, М.М. Балан, О.В. Бондаренко, І.В. Стрелковська. - Одеса: ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2013. - 48 с.

14 Deering S. Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification [Електронний ресурс] / S. Deering, R. Hinden. - RFC 2460, December 1998. - Режим доступу: http://www.ietf.org/rfc/rfc2460.txt.

15 ITU-T Recommendation X.200. Information technology. Open Systems Interconnection. Basic Reference Model. The basic model. - ITU-T, 1994.

16 Postel J. Internet Protocol [Електронний ресурс] / J. Postel. - STD 5, RFC 791, September 1981. - Режим доступу: http://www.ietf.org/rfc/rfc791.txt.

17 Postel J. User Datagram Protocol [Електронний ресурс] / J. Postel. - STD 6, RFC 768, August 1980. - Режим доступу: http://www.ietf.org/rfc/rfc768.txt.

18 Schulzrinne H. RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications [Електронний ресурс] / H. Schulzrinne, S. Casner, R. Frederick, V. Jacobson. - RFC 3550, July 2003. - Режим доступу: http://www.ietf.org/rfc/rfc3550.txt.

19 Smirnov M. Відео стандарти 20.05.2014 [Електронній ресурс] Режим доступу: tp://www.puzzle-tv.ru/help_support_o_video.html#.U2t5O8H5cpD

20 Smirnov M. Відео кодек H.264/MPEG-4_AVC [Електронний ресурс] 20.05.2014 Режим доступу: http://en.wikipedia.org/wiki/H.264/MPEG-4_AVC

Размещено на Allbest.ru