автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка моделей передачи потоковых данных и алгоритмов адаптивного управления в одноранговых сетях Интернет

На правах рукописи

ЕМЕЛЬЯНОВ Владимир Никитич

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ПЕРЕДАЧИ ПОТОКОВЫХ ДАННЫХ И АЛГОРИТМОВ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ В ОДНОРАНГОВЫХ

СЕТЯХ ИНТЕРНЕТ

Специальность 05.12.13 -Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

005539367

Москва 2013

005539367

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова» на кафедре «Сети связи и телекоммуникационные системы».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Абилов Альберт

Винерович

Официальные оппоненты: Степанов Сергей Николаевич, доктор технических

наук, профессор, директор информационно-аналитического департамента ОАО «Интеллект Телеком»

Гайдамака Юлия Васильевна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Системы телекоммуникаций» ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»

Ведущая организация: ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Защита состоится « '/. » декабря 2013 г. в ' •-> часов на заседании диссертационного совета Д 219.001.03 при ФГОБУ ВПО «Московский технический университет связи и информатики» (ФГОБУ ВПО МТУ СИ) по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а, ауд. А-448.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБГОУ ВПО МТУСИ. Автореферат разослан «__» ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Д 219.001.03, ___

кандидат технических наук, доцент-^ /Т

Ерохин С. Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время происходит существенное увеличение доли услуг передачи мультимедийных потоковых данных режима реального времени в общем объеме Интернет-трафика. Для информационных потоков, таких как, например, аудио и/или видео, характерна все большая потребность в высокой скорости передачи. Развитие услуг передачи потоковых данных по унифицированным IP-сетям (услуг вещания) с каждым годом принимает все более важное значение. Как мировое, так и российское научное сообщество уделяют большое внимание проблемам построения, разработки и исследования сетей групповой передачи мультимедийных потоковых данных и их алгоритмов функционирования.

Для решения задачи перевода услуг вещания на IP-протокол в глобальных сетях используется подход, идея которого развивается мировым научным сообществом в течение последних нескольких лет, называемый peer-to-peer вещание (Р2Р, вещание в одноранговых сетях), где IP-сеть не подвергается каким-либо изменениям. Все узлы сети работают как клиент и сервер одновременно за счёт установки специального программного обеспечения. Значительно снижается нагрузка на центральный сервер, данные от него передаются только нескольким хостам, которые, в свою очередь, передают данные другим. На сетевом уровне IP-пакеты доставляются от источника группе получателей отдельными информационными потоками, каждый в режиме одноадресной передачи. Однако задачи групповой маршрутизации информационных сегментов, которые называются чанками, возлагаются на прикладной уровень, то есть реализуются исключительно программными средствами пользовательских терминалов. Такой подход позволяет обеспечить передачу потоковой информации в глобальных сетях для большой группы пользователей.

При внезапном отключении узлов, а также при переключении клиента на другой информационный канал возникает проблема устойчивости передачи информации в сети, когда все последующие узлы в создаваемой цепочке также подвергаются длительным отключениям и, соответственно, интенсивным потерям чанков до момента нахождения ими нового узла. Это приводит к существенному ухудшению качества обслуживания. Для решения этой проблемы необходимо проведение поисковых научно-исследовательских работ. Разработка новых моделей и алгоритмов, а также исследование их эффективности позволят предложить разработчикам сетевых протоколов прикладного уровня инновационные механизмы повышения качества передачи потоковых данных в глобальных сетях Интернет. Это, в свою очередь, должно ускорить развитие и реализацию новых подходов, как для построения современных сетей, так и для внедрения новых и востребованных высококачественных услуг вещания для различных сфер социально-экономической деятельности.

Степени разработанности темы. Существенный вклад в исследование и моделирование передачи потоковых данных в одноранговых сетях внесли Ki-nicki R., Claypool M., Loguinov D., Kleinrock L., Huahui Wu, Ross K.W., Clévenot ^ F., Nain Ph., Deshpande H., Bawa M., Kang S., Самуйлов K.E., Кучерявый A.E. и' многие другие. Методы повышения качества передачи потоковых данных ct

применением избыточности рассматривались в работах авторов Dan G., Bolot J-C„ Fodor V., Karlsson G., Sanchez I.S. Разработкой Р2Р-приложений для передачи потоковых данных занимались Jannotti J., Gifford D., Johnson К., Castro M., Druschel Р. Развитием теоретической и практической базы помехоустойчивого кодирования занимались российские академики и ученые: Котельников В.А., Финк U.M., Жижченко А.Б., Бородакий Ю.В.

Целью работы является повышение качества обслуживания в одноранговых сетях передачи потоковых данных с многослойной древовидной топологией за счет применения адаптивного управления коррекцией потерь чанков.

Для достижения этой цели в диссертации решены следующие задачи исследования.

1. Разработка математической модели, описывающей процессы передачи и обслуживания мультимедийного трафика реального времени в одноранговых сетях с топологией многослойного дерева.

2. Разработка алгоритмов оценки и адаптивного управления коррекцией потерь чанков в одноранговых сетях с многослойной древовидной топологией, позволяющих повысить качество передачи потоковых данных в сети Интернет.

3. Сравнительный анализ эффективности предложенных и существующих алгоритмов управления передачей потоковых данных в одноранговых сетях с многослойной древовидной топологией.

4. Разработка экспериментального однорангового приложения для потокового вещания в режиме реального времени, позволяющего оценивать качество передаваемых потоковых данных.

При решении поставленных задач использовались следующие методы исследования: методы математического моделирования, теории вероятности и случайных процессов, теории оценки и управления, имитационного моделирования.

Объектом исследования является одноранговая сеть с многослойной древовидной топологией для передачи потоковых данных в реальном режиме времени.

Предметом исследования являются теоретические и практические задачи повышения качества функционирования одноранговых сетей передачи потоковых данных за счет снижения коэффициента потерь чанков.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Разработаны математические модели передачи потоковых данных в одноранговых сетях с древовидной топологией с учётом граничных условий, отличающиеся от существующих тем, что описывают процесс передачи данных дискретно во времени и позволяют использовать алгоритмы оценки и адаптивного управления с учётом обратной связи (ОС).

2. Разработаны алгоритмы адаптивного изменения количества избыточных чанков в зависимости от коэффициента потерь чанков, такие как пороговый, интегральный пропорциональный и интегральный пороговый, позволяющие снизить коэффициент потерь чанков.

3. Разработанные алгоритмы оценки качества передачи потоковых данных адаптированы для применения на прикладном уровне одноранговой сети и позволяют эффективно использовать алгоритмы адаптивного управления.

4. Получены методы реализации одноранговых сетей, позволяющие использовать алгоритмы оценки и адаптивного управления передачей потоковых данных на прикладном уровне.

Практическая ценность и реализация работы заключается в том, что:

1. Использование предложенных моделей позволяет разрабатывать алгоритмы адаптивного управления, обеспечивающие повышение качества передачи данных реального времени вне зависимости от протоколов, используемых на нижних уровнях.

2. Предложенные алгоритмы адаптивного управления качеством групповой передачи потоковых данных обладают улучшенными характеристиками по сравнению с существующими алгоритмами в условиях высокого уровня потерь чанков и большого количества пользователей в сети.

3. Предложенный вариант реализации однорангового приложения позволяет имитировать потери чанков и производить измерение их интенсивности, что обеспечивает возможность оценки эффективности алгоритмов адаптивной коррекции.

4. Результаты диссертационной работы использованы в ОП ООО «Д-Линк Раша» в г. Ижевске, а также в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова», что подтверждается соответствующими актами.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Предложенные математические модели, достоверно описывающие процессы групповой передачи потоковых данных в одноранговых сетях с многослойной древовидной топологией с учётом обратной связи и коррекции потерь чанков.

2. Разработанные алгоритмы оценки потерь чанков, учитывающие обратную связь и позволяющие применять алгоритмы адаптивного управления качеством обслуживания в сети.

3. Разработанные алгоритмы адаптивной коррекции потерь чанков (пороговый, интегральные алгоритмы), в несколько раз снижающие коэффициент потерь чанков в зависимости от условий функционирования одноранговой сети (уровня потерь чанков, интенсивности отключений узлов сети).

4. Сравнительные характеристики качества обслуживания для одноранговых сетей, полученные методом имитационного моделирования, показывающие преимущество в корректирующей способности разработанных алгоритмов над пропорциональным в условиях высоких потерь чанков.

5. Разработанное программное приложение, обеспечивающее трансляцию потоковых данных в режиме реального времени, позволяющее проводить оценку характеристик качества сети и задавать уровень потерь в сети.

Достоверность и обоснованность научных результатов работы подтверждается адекватностью применяемых для исследования математических методов, соответствием результатов имитационного моделирования выдвигаемым положениям, апробацией созданного научно-технического продукта в виде программного обеспечения, а также сравнительным анализом предложенных и существующих алгоритмов адаптивного управления. Достоверность экспери-

ментальных результатов обеспечена экспериментальными тестами, статистическими методами обработки данных.

Работа соответствует паспорту специальности 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций в областях: «11. Разработка научно-технических основ технологии создания сетей, систем и устройств телекоммуникаций и обеспечения их эффективного функционирования» и «14. Разработка методов исследования, моделирования и проектирования сетей, систем и устройств телекоммуникаций».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Втором форуме молодых учёных «Education Quality - 2010» (Ижевск, 2010 г.), VI Всероссийской научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2010 г.), научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (Ижевск, 2011 г.), 6-й отраслевой научно-технической конференции «Технологии информационного общества» (Московский технический университет связи и информатики, 2012 г.), научном межвузовском семинаре «Современные телекоммуникации и математическая теория телетрафика» (г. Москва, РУДН, 2012 г.).

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии во всех этапах исследования, включая разработку математических моделей передачи потоковых данных, алгоритмов адаптивного управления коррекцией потерь чанков, проведение имитационного моделирования и разработку программного приложения. Все основные научные положения, выводы и рекомендации, составляющие содержание диссертации, разработаны автором лично.

Публикации. По основным теоретическим и практическим результатам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАК Минобрнауки России для публикации результатов диссертационных исследований.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 74 рисунка и 4 таблицы. Список литературы включает 123 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы выбор темы диссертационной работы, её актуальность, сформулированы цель и задачи исследования, указываются методы исследования, определены практическая ценность и область применения результатов, приведены сведения об апробации работы, представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе определяются основные понятия, используемые в диссертации, приводится обзор литературных источников и анализ имеющихся по теме диссертации результатов. Рассмотрены основные методы, используемые для реализации потокового вещания в IP-сетях. Проанализированы топологии одноранговых сетей передачи потоковых данных, выявлены возникающие при

их использовании основные недостатки и проблемы. Существенный недостаток структуры однослойного дерева заключается в том, что при отключении узла в цепочке передачи все узлы, следующие за ним, перестают получать чанки, содержащие информацию. В неструктурированных Р2Р-сетях с распределённым управлением присутствует сложность управления топологией сети и обеспечения стабильного обмена управляющими сообщениями между узлами, что значительно усложняет задачу по их использованию в крупных сетях. Указанных недостатков лишена многослойная древовидная топология.

Для применения в исследованиях в результате анализа методов повышения качества передачи потоковых данных произведено обоснование выбора прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction - FEC). В данном случае в передаваемом блоке данных к информационным чанкам D добавляются избыточные чанки R, которые могут передаваться отдельным потоком. Таким образом, общее число передаваемых чанков X составляет X=D+R. Для восстановления потерянных при передаче чанков необходимо, чтобы их количество не превышало количества избыточных чанков R. В работе рассматривается FEC прикладного уровня, который реализуется исключительно программными средствами пользовательских терминалов.

FEC имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что если избыточных чанков будет добавлено больше, чем требуется, то сеть может быть перегружена избыточным трафиком. С другой стороны, если избыточных чанков будет меньше, чем необходимо для восстановления, то невозможно повысить качество обслуживания. Эта проблема требует решения в выборе оптимального количества избыточных чанков, что реализуется с помощью применения алгоритмов адаптивного управления.

Чтобы определить необходимый уровень избыточности, сервер должен иметь некоторые данные относительно процесса потерь чанков (или блоков) в одноранговой сети. Узлы должны сообщать о текущих показателях качества источнику, который будет адаптивно изменять избыточность FEC (количество избыточных чанков в блоке) периодически или по заданному порогу.

Выполнен анализ существующих алгоритмов управления избыточностью - пошагового и пропорциональный. Основной недостаток пошагового алгоритма заключается в том, что он не может быстро реагировать на резкие изменения состояния сети, особенно в случае наличия больших задержек пакетов обратной связи и прямого потока. В пропорциональном алгоритме чувствительность управляющего устройства очень низка. Контроллер срабатывает только при приближении отслеживаемого индикатора к критической границе, что приводит к резким изменениям количества избыточных чанков и коэффициента потерь чанков в сети.

Во второй главе описываются разработанные математические модели для одноранговых сетей групповой передачи потоковых данных.

• Модель передачи потоковых данных без учёта обратной связи и избыточности.

• Модель передачи потоковых данных с учётом обратной связи.

• Модель передачи потоковых данных с учётом обратной связи и коррекцией потерь чанков.

В работе под каналом связи подразумевается набор протоколов разных уровней, взаимодействие которых способствует продвижению данных от источника к получателю. Канал связи рассматривается на прикладном уровне модели OSI, так как изменения параметров передачи производятся программно, а изменение на уровнях ниже транспортного требуют модификации оборудования. Примем, что источник передаёт получателю поток данных, который состоит из чанков (порций данных прикладного уровня). Представлена модель передачи потоковых данных без обратной связи. В сетях передачи потоковых данных существует два типа каналов: прямой канал (по движению потока данных) и канал обратной связи. Поток данных - это последовательность блоков, которая состоит из X чанков. Изначально не известно об их содержании, и в работе чанк рассматривается как элементарная единица данных. Без учёта избыточности каждый переданный блок может быть представлен вектором x(g) (вектор данных), у которого в общем случае есть ансамбль разрешенных (возможных) комбинаций над полем Галуа (Galois Field) второго порядка GF(g), где g - элемент двоичной группы GF(2). Оценка вектора реализуется через момент времени к, который может быть определен как текущий номер фазы вектора оценки. Интервал между моментами к (период одного блока) определен как tk.

Чанки поступают в узел с различными задержками и каждый из них имеет порядковый номер, по которому они сортируются в исходном порядке после получения. В модели учитываются суммарные потери данных на всех уровнях - от физического до прикладного, которые могут возникнуть по любой причине, такой как электромагнитные помехи, нестабильность работы оборудования, высокие задержки передачи данных, несовпадения контрольных сумм Ethernet-кадров, udp-сегментов, некорректных значений полей заголовков. Процесс потерь чанков (перед операцией восстановления чанков) описывается вектором потерь в результате суммирования которого с x(g) по правилу сложения по модулю 2 получается вектор оценки Z(g). Для отправки откликов обратной связи на транспортном уровне применяется протокол tcp, в котором имеется механизм восстановления потерянных сегментов за счёт их повторной передачи. Поэтому в работе не рассматривается увеличение помехоустойчивости откликов ОС за счёт средств прикладного уровня.

Передача потоковых данных от источника к получателю представлена следующими уравнениями:

Xt+i{g)=A{k+lk)-Xt{g), (1)

Wt+i(g) = B(k+l,k)-Wt(g), (2)

2м(*)=хи1(*)©в(*+и)-ВД, (3)

где А(к+1,к) - переходная матрица источника данных;

В(к+1,к) - переходная матрица источника потерь.

Поскольку нет сведений об информационном наполнении чанка, предполагается, что формат вектора, имеющего поток данных, представлен как x(g) = {1,1,...Д}, то есть элемент «1» в позиции вектора данных обозначает присутствие чанка в источнике, и у этого вектора есть только одна разрешенная ком-

6

бинация. Потери чанков в дискретном канале проявляются как преобразование векторов x(g) и W(g). Например, вектор оценки может быть представлен как 2(g) = {1,1.....1} © {0,1,. ..,0} = {1,0.....1}, где 2-й чанк был потерян.

С учётом избыточности вектор потока имеет размерность X = D + R, Вектор данных обозначен как £>{g) вектор избыточности как R(g), каждый из них имеет размерность X. Неизвестно о содержании чанка данных и предполагается, что вектор данных представлен как 6(g) = {1,1, ..., 1}. Например, вектор избыточности может быть определён как R(g) = {0,...,0,1,...1}, то есть элемент «1» в положении вектора избыточности обозначает присутствие чанка избыточности в блоке.

С учетом избыточности уравнение (1) принимает вид

XM{g) = A(k + l,k).Dk{g)®C{k + l,kyRk{gl (4)

где c(fc+l,£) - переходная матрица источника избыточности.

В общем случае вектор избыточности R(g) может быть сгенерирован синхронно с фазой вектора оценки к. Это означает, что количество избыточных чанков в блоке может изменяться достаточно часто с периодом гь что вызвало бы необходимость передавать пакеты управления обратной связи на сервер после получения каждого блока входящего потока. Это, в свою очередь, увеличивает вероятность перегрузки сервера. Управление количеством избыточных чанков может происходить автономно, например, согласно заранее определенному закону либо влиянию обратной связи.

Для измерения коэффициента потерь узел должен получить от сервера определенное количество блоков (выборка - М блоков). Определение коэффициента потерь происходит в момент времени т, который может быть определен как текущий номер фазы оценки коэффициента потерь чанков. Интервал между моментами т (период одного измерения) определен как tm = tfM (секунд).

В главе рассматривается общая модель для передачи потоковых данных в одноранговой сети с обратной связью для случая, когда только конечные узлы в сети посылают обновления обратной связи непосредственно серверу. Данная модель не принимает во внимание все узлы сети и рассматривает только сервер и конечные узлы, но характер прохождения чанков через сеть от сервера до последних узлов учитывается в векторе потерь.

Изменение количества избыточных чанков производится только в моменты управления с, таким образом, уравнение (4) примет вид

XM{g) = A(k + l,kyDk(g)®C{k + l,kyRc{g). (5)

Согласно формулам (1), (2) и (3) передача потоковых данных от источника к получателям для S конечных узлов описывается с помощью системы уравнений

• ZUg) = Xk+l(g)®B2(k+l,k).W?(g), (6)

. ZsM(g) = Xk+l (g)®Bs (k + uywks (g).

В работе предложена модель Р2Р-сети передачи потоковых данных для случая, когда все узлы оценивают коэффициент потерь и передают результаты как обновления от предыдущих к последующим, и конечные узлы сообщают результаты серверу.

На рисунке 1 представлена структурная схема модели передачи данных в одноранговой потоковой сети с принятием во внимание объединенной обратной связи и управления. Число последующих узлов корневого сервера в каждом дереве обозначено как S, а номер последующего узла s, где s е {S}. Общее количество уровней в дереве, которое обозначено /, равно N/S, где N - общее количество узлов в дереве. Узлы на расстоянии i узлов от корневого сервера являются членами уровня i (¡'s {/}).

Каждый узел агрегирует собственный коэффициент потерь чанков с коэффициентом потерь, полученным от предыдущего узла, и передает его датее по сети. С принятием во внимание всех узлов их векторы оценки могут быть представлены матричным вектором:

¿I'M)

nih)

ад! ¿а

z?M)[zllt(g) ziäli)! züs)

(7)

Система уравнений (7) описывает процесс приема чанков перед БЕС. Чтобы принять во внимание БЕС, в модель вводится вектор исправления У^). Его задачей является компенсировать вектор потерь, при этом избыточность блока влияет на способность компенсации. С принятием во внимание процедуры БЕС получаем:

Z(g) = X(g)9W(g)<BY(g).

(8)

Вектор 9(g) зависит от вектора избыточности R(g) и определен следующим образом:

y(s)=

А Л

j't

О ,если <

и

(9)

где г и и> - двоичные элементы векторов избыточности и потерь соответственно

Источник избыточности

Сервер

С(к+1,к)

А.,(г)

Источник данных

А{к+\,к) - ¿к

в

Источник потока

7ХГ

I Узел 11 Н I------1 [

| Узел 21 Н I------1 I

0.М)

Блок- !-* управ-

Задержки откликов ----------

¡Узел 12 М

I------п!

| Узел 22 |—I I— Щ

| Узел 1/ [•

.'------Н

7Л-

Узел 21 —

!------Н

| Узел 51 |—^ Узел

| Узел 5/ |— I------П

М

дг

дг

а1

в5

Сеть

о а я и. а-■о •3- -8-

Ё Н •

3 а ' И ш. . £ь

|К после-¡дующе-{му узлу

Канал

Предыдущие узлы

Рисунок 1 - Структурная схема модели древовидной Р2Р-сети с учетом ОС и агрегацией

В третьей главе предложены новые алгоритмы адаптивного управления избыточностью, такие как пороговый и алгоритмы с интегрированием параметров по времени.

В пороговом алгоритме управления используется несколько значений коэффициента потерь чанков (А*), которые служат для принятия решения о выборе количества избыточных чанков в блоке.

Работа алгоритма заключается в следующем. При соотношении коэффициентов потерь чанков С1ЛЫ > СЬЯп пороговый алгоритм применяет количество избыточных чанков согласно формуле

11 = г(си{и-сша),

(10)

где у - пропорциональный коэффициент, выбираемый на основе имитационного моделирования либо опытным путём;

С1ДМ - измеренный коэффициент потерь чанков;

СЬЯц - целевой коэффициент потерь чанков.

Если С1Лц > С1Лм > А^ь то избыточность не меняется. Количество избыточных чанков Я уменьшается на один избыточный чанк в блоке при N1 > СЬЯМ > N2. В случае СЬЯН < Ы2, Я уменьшается на два избыточных чанка в блоке (ЛГ1=0,5Сигц, N2=0,25Ш?ц).

Проведено сравнение эффективности работы существующего пропорционального и разработанного порогового алгоритмов управления методом имитационного моделирования для сети с многослойной древовидной топологией с 1000 узлов. Доверительные интервалы для полученных результатов имитационного моделирования рассчитаны с помощью критерия Стьюдента с доверительной вероятностью 95%. Принцип работы программы для имитационного моделирования показан на рисунке 2.

С целью анализа эффективности предложенных алгоритмов введено понятие коэффициента выигрыша (Кв), который показывает, во сколько раз средний коэффициент потерь (СЦ?ср) для предложенных алгоритмов меньше, чем СЬЯ без применения коррекции потерь чанков БЕС (СЬЯ^есУ-

Кв= СМбРЕс/ОЛр. (11)

С помощью моделирования было выбрано оптимальное значение пропорционального коэффициента у (из формулы (10)), при котором наблюдается наименьший коэффициент потерь чанков, и среднее количество избыточных чанков Яср составляет (2,00±0,04), что ниже, чем при у>10.

В таблице 1 приведены сравнительные результаты для фиксированных значений у=10, у=15, у=20, у=40, у=100 порогового алгоритма при вероятности потерь чанков между узлами, равной 0,02. Из представленных результатов видно, что с ростом пропорционального коэффициента СШ^ снижается, Лср возрастает, причём при у>40 происходит замедление снижения и роста соответственно.

Таблица 1 - Различные варианты у для порогового алгоритма

Г С1Лсо Коп Кв

10 0,137±0,003 2,00±0,02 2,71 ±0,06

15 0,123±0,002 2,66±0,02 3,04±0,06

20 0,115±0,005 3,16+0,06 3,36±0,09

40 0,091 ±0,005 4,05±0,10 4,11±0,16

100 0,067±0,009 4,46±0,12 5,59±0,42

Для порогового алгоритма управления в зависимости от задачи выбирается следующее значение у:

• если использовать малое значение у (5<у<20), то С£,йср будет ниже, чем для пропорционального алгоритма при соответствующих значениях у, величина #ср также будет небольшой по сравнению с указанным далее вариантом,

• если использовать большое значение у (40<у<150), то будет достаточно низким, но потребуется большое количество избыточных чанков №ф>4).

Начало работыЧ Передача чанков о » начальным I значением Яц У

Изменение количества избыточных чанков в зависимости от

Вычисления

п

независимо для каждой ветви

Г 1 Передача чанков ко всем узлам на следующий уровень сети с древовидной СТРУКТУРОЙ

1

▼

1 1 "П 1 Генерация ошибок в блоке передаваемых данных

+

Коррекция потерянных чанков

1 ▼

1 1 Генерация отключений узлов на текущем уровне

НЕТ Последний

Отправка информации обратной связи

±

уровень в сетиЪ

Подсчёт параметров обратной связи. Измерение коэффициента потерь чанков СХЙ. Вычисление СЛД как среднего арифметического на всех узлах сети

НЕТ

Последний блок цанков в трансляции^

ДА

Завершение работы

9

Рисунок 2 - Блок схема работы программы для моделирования

Результаты моделирования показали преимущество в корректирующей способности порогового алгоритма над пропорциональным. На рисунке 3 показано, что для пропорционального алгоритма управления значение коэффициента выигрыша Къ увеличивается до 2,58±0,015 с ростом у до 10. Для порогового алгоритма увеличение у позволяет достигнуть больших значений Къ (до 5,59±0,42). Но при такой разнице в коэффициенте выигрыша величина #ср оста-

ется примерно одинаковой (рисунок 4). При у<10 для обоих алгоритмов значения Кв примерно одинаковы.

Рисунок 3 - Зависимость Кв от у для пропорционального и порогового алгоритмов

5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1

0.5

_. / /Л ' ч

! / 1 /

I > и

¡1

1' -Пропорциональный .../...---Пороговый

/7 г/

50

150

Рисунок 4 - Зависимость Яср от у для пропорционального и порогового алгоритмов

С целью решения задачи по снижению количества резких изменений коэффициента потерь чанков при увеличении/уменьшении числа избыточных чанков следует использовать интегрирование параметров по времени. Принцип действия интегрирования по времени заключается в следующем: решение в управляющем контроллере принимается не в каждый момент измерения состояния сети, а только по результатам нескольких последних таких измерений. Таким образом, алгоритмы с интегрированием параметров по времени можно представить следующей формулой:

с

Я = Д0 + р • ^ ег, (12)

/=1

где Яо - начальное значение избыточности;

Р - интегральный коэффициент, обратно пропорциональный числу моментов контроля, входящих в интервал интегрирования, но экспериментальным путём может быть выбрано и другое значение;

с - начальный момент контроля;

С - количество откликов обратной связи, входящих в интервал управления;

е/- измеряемый уровень потерь (может быть изменением СЬЩ.

В работе применён интегральный пропорциональный алгоритм управления с интегрированием параметров по времени, где параметр р обратно пропорционален количеству откликов обратной связи, входящих в интервал управления. Исходя из формул (10) и (12) получим:

с

R =R0 + $-Yjy(CLRMf-CLRlx), /=i

где у - пропорциональный коэффициент.

Аналогично применяется интегральный пороговый алгоритм. Вначале происходит накопление информации обратной связи, по полученному результату происходит вычисление нового значения избыточности.

При росте у от 0 до 40 коэффициент выигрыша и средняя избыточность одинаковы для интегрального пропорционального и интегрального порогового алгоритмов. При у>40 интегрального пропорционального алгоритма адаптивного управления заметно снижается (Кв около 2,85±0,16) по сравнению с Кп интегрального порогового достигает 7), Яср при этом отличается незначительно, но для интегрального порогового значение Лср выше. Подтверждают это и сравнительные результаты, представленные в таблице 2.

Таблица 2 - Различные варианты у для интегральных алгоритмов

Y CLRcn Rqv \ К„

Интегральный пропорциональный

10 0,155±0,010 1,97±0,05 2,52±0,10

25 0,08б±0,001 2,56±0,24 4,45±0,35

100 0,139±0,003 5,20±0,01 2,83±0,05

Интегральный пороговый

25 0,089±0,006 2,56±0,15 4,35±0,24

80 0,075±0,011 4,33+0,15 5,30+0,55

100 0,063±0,005 4,45±0,24 6,11 ±0,49

Таким образом, интегральный пороговый алгоритм адаптивного управления имеет более низкое значение CLR и больший коэффициент выигрыша по сравнению с интегральным пропорциональным алгоритмом.

Четвёртая глава посвящена описанию реализации однорангового приложения для потокового вещания в режиме реального времени. В работе используется перехват видеопотока, предоставляемого сторонней программой. Перехват трафика реализован с помощью raw-сокета и программы Wireshark.

Для генерации видеопотока используется свободный медиаплеер VLC media player. Прототип сети (рисунок 5) выглядит следующим образом. VLC транслирует видеопоток на порт компьютера, на котором запущен перехват этого видеопотока. Далее перехваченный видеопоток транслируется по одноранговой сети благодаря клиентской части программы.

Задача управления загрузками решена с помощью наделения программы-перехватчика рядом серверных функций, что реализовано на языке программирования С++ и связано с программой-перехватчиком трафика. Для целей экспериментального изучения алгоритмов программа способна генерировать ошибки передачи данных. Для создания ошибок используется модель Гильберта — Элиота (GEC).

Рисунок 5 - Прототип одноранговой сети

В конечной программе применено пять сокетов всех доступных видов (сокет - программный интерфейс для обеспечения обмена данными между процессами).

Просматривая весь приходящий на компьютер трафик, алгоритм выбирает из этого потока пакеты с заголовком 1ШР, адресованные на заранее известный порт этого компьютера. Эти пакеты декапсулируются вплоть до ЯТР-заголовка и перенаправляются через 1ГОР-сокет на первый клиент в сети.

Для обмена информацией между клиентами и сервером были разработаны структуры данных. Удаление клиента из одноранговой сети может происходить двумя способами: по желанию клиента (преднамеренно) и в случае непреднамеренной потери связи.

В заключении приведены основные выводы и результаты по диссертационной работе.

В приложении представлены листинги программы моделирования и экспериментального приложения.

Основные выводы и результаты работы

1. Разработаны математические модели передачи потоковых данных для групповой передачи потоковых данных в одноранговых сетях. Модели учитывают наличие избыточных чанков и обратную связь. Процессы передачи описаны с помощью уравнений переходных состояний с учётом граничных условий, что позволяет описать потоковый процесс дискретно в динамике с учетом нестационарного характера потерь чанков, а также предоставляет возможность создания рекуррентных алгоритмов оценки и управления.

2. Разработан пороговый алгоритм адаптивного управления, использующий несколько значений коэффициента потерь чанков, которые служат для принятия решения о выборе количества избыточных чанков в блоке, что приводит к постепенному изменению уровня коэффициента потерь чанков и увеличению корректирующей способности.

3. Результаты имитационного моделирования для оценки эффективности предложенных алгоритмов для одноранговой сети с многослойной древовидной топологией с 20 ветками и 500 уровнями показали, что пороговый алгоритм адаптивного управления снижает СЬЛ в несколько раз в зависимости от значения

пропорционального коэффициента у. Вероятность потерь чанков принята равной 0,02. При у=Ю коэффициент потерь снижается в 2,71 ±0,06 раза в сравнении со случаем отсутствия какой-либо коррекции, при у=20 - в 3,36+0,09 раза, при у=100 — в 5,59±0,42. Среднее количество избыточных чанков составит 2,00±0,02, 3,16+0,06 и 4,46±0,12 соответственно. Следовательно, в зависимости от конкретных задач необходимо выбирать определённое значение у: если отсутствуют ограничения пропускной способности, то у>30, если необходимо повысить качество передачи данных, используя минимальную избыточность, то 10<у<30.

4. Использование порогового алгоритма управления позволяет достигнуть меньших значений коэффициента потерь по сравнению с существующим пропорциональным, для которого значение коэффициента выигрыша Кц увеличивается до 2,58±0,015 при у=10. Для порогового алгоритма увеличение у позволяет достигнуть больших значений ЛТВ (до 5,59±0,42). При этом количество избыточных чанков в блоке для обоих алгоритмов практически одинаково.

5. Разработаны алгоритмы адаптивного управления с интегрированием параметров по времени: интегральный пропорциональный и интегральный пороговый. При росте у от 0 до 40, коэффициент выигрыша и средняя избыточность одинаковы для интегрального пропорционального и интегрального порогового алгоритмов. При у>40 Кв интегрального пропорционального алгоритма адаптивного управления заметно снижается (АГВ=2,85±0,16) по сравнению с Кв интегрального порогового (Кв~1), Лср при этом отличается незначительно (4,30±0,29 и 5,61 ±0,36 соответственно).

6. Разработано экспериментальное приложение для организации потокового вещания в режиме реального времени в одноранговой сети. Показан алгоритм разработки Р2Р-приложения для потокового вещания, которое позволит использовать алгоритмы адаптивного управления коррекцией потерь чанков. Приложение обеспечивает возможность задавать и измерять потери в сети, что позволит экспериментально оценить эффективность работы алгоритмов адаптивного управления.

7. Результаты диссертационной работы использованы в ОП ООО «Д-Линк Раша» в г. Ижевске, а также в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова», что подтверждается соответствующими актами.

Публикации по теме диссертационной работы

Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Емельянов, В. Н. Применение адаптивных алгоритмов управления с использованием временного окна для передачи потоковых данных / В. Н. Емельянов, А. В. Абилов // Т-Сотт - Телекоммуникации и транспорт. - 2012. - № 7. - С. 85-90.

2. Емельянов, В. Н. Влияние нагрузок в сети на характеристики качества передачи потоковых данных / О. А. Ревило, А. В. Абилов, В. Н. Емельянов // Вестник ИжГТУ. - 2011. - № 1(49). - С. 97-99.

3. Емельянов, В. Н. Алгоритмы оценки потерь пакетов с адаптацией по выборке для сетей передачи потоковых данных / О. А. Ревило, В. Н. Емельянов, А. В. Абилов // Т-Сотш - Телекоммуникации и транспорт. - 2012. - № 7. - С. 161-164.

4. Емельянов, В. Н. Алгоритм адаптации интервала управления FEC в Р2Р-сетях передачи потоковых данных // Естественные и технические науки. -М.: «Издательство «Спутник+». - 2013. - № 3. - С. 204-207. ISSN 1684-2626.

Работы, опубликованные в других изданиях

5. Emelyanov, V. N. Robustness of single-tree-based P2P streaming networks / A. V. Abilov, V. N. Emelyanov // Proceedings of the 2nd Forum of Young Researchers in the Framework of International Forum "Education Quality - 2010". - Izhevsk, Russia, 2010. - P. 316-324.

6. Emelyanov, V. N. Robustness of multiple-tree-based P2P streaming networks / V. N. Emelyanov, A. V. Abilov // Proceedings of the 2nd Forum of Young Researchers in the Framework of International Forum "Education Quality - 2010". - Izhevsk, Russia, 2010. -P. 331-339/-ISBN 978-5-7526-0442-3.

7. Емельянов, В. H. Адаптивные алгоритмы коррекции потерь пакетов в одноранговых сетях передачи потоковых данных / В. Н. Емельянов, М. М. Павлова // Интеграция науки, образования и производства - 2010. Приборостроение в XXI веке : сб. материалов VI Всерос. науч.-техн. конф. (Ижевск, 7-9 декабря 2010 г.). -Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2011. - С. 216-222. - ISBN 978-15-7526-0484-3.

8. Емельянов, В. Н. Исследование алгоритмов управления одноранговых сетей с отключениями хостов // Интеграция науки, образования и производства - 2010. Приборостроение в XXI веке : сб. материалов VI Всерос. науч.-техн. конф. (Ижевск, 7-9 декабря 2010 г.). - Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2011. - С. 222228. - ISBN 978-15-7526-0484-3.

9. Емельянов, В. Н. Эффективность алгоритма ARQ прикладного уровня для передачи потоковых данных в сетях WLAN / В. Н. Емельянов [и др.]. - Интеграция науки, образования и производства - 2010. Приборостроение в XXI веке : сб. материалов VI Всерос. науч.-техн. конф. (Ижевск, 7-9 декабря 2010 г.). -Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. - С. 233-238. - ISBN 978-15-7526-0484-3.

Отпечатано в ООО «Издательство Спутник+» ПД № 1-00007 от 26.09.2000 г. Подписано в печать 06.11.2013 г. Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,0 Печать авторефератов (495)730-47-74,778-45-60

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ

М.Т. КАЛАШНИКОВА

04201365398 На правах рукописи

ЕМЕЛЬЯНОВ ВЛАДИМИР НИКИТИЧ

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ПЕРЕДАЧИ ПОТОКОВЫХ ДАННЫХ И АЛГОРИТМОВ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ В ОДНОРАНГОВЫХ СЕТЯХ ИНТЕРНЕТ

Специальность 05.12.13 - «Системы, сети и устройства телекоммуникаций»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

V

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Абилов Альберт Винерович

ИЖЕВСК - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПЕРЕДАЧИ ПОТОКОВЫХ ДАННЫХ В ОДНОРАНГОВЫХ СЕТЯХ ИНТЕРНЕТ....................................................................13

1.1 Особенности построения сетей передачи потоковых данных........................13

1.1.1 Архитектура «клиент-сервер» и одноранговые сети................................13

1.1.2 Анализ протоколов для потоковой передачи данных..............................14

1.1.3 Методы многоадресной передачи потоковых данных.............................16

1.2 Анализ существующих методов построения Р2Р-сетей групповой передачи потоковых данных.....................................................................................................20

1.2.1 Централизованные древовидные Р2Р-сети................................................20

1.2.2 Неструктурированные Р2Р-сети с распределённым управлением..........22

1.2.3 Сравнение методов коррекции потерь пакетов.........................................23

1.3 Сравнение методов оценки и управления передачей в

телекоммуникационных сетях.................................................................................27

1.3.1 Методы управления......................................................................................27

1.3.2 Адаптация управляющих параметров........................................................28

1.4 Постановка и анализ задач исследования......................................................29

1.4.1 Анализ сети с многослойной древовидной топологией...........................29

1.4.2 Анализ пошагового алгоритма управления...............................................36

1.4.3 Анализ применения избыточности как среднего числа потерянных чанков......................................................................................................................38

1.4.4 Анализ пропорционального алгоритма управления.................................38

1.5 Выводы по главе..................................................................................................41

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПЕРЕДАЧИ ПОТОКОВЫХ ДАННЫХ В ОДНОРАНГОВЫХ СЕТЯХ С ДРЕВОВИДНОЙ ТОПОЛОГИЕЙ..............................................................................................................42

2.1 Разработка модели передачи потоковых данных без обратной связи в Р2Р-сети с древовидной топологией...............................................................................42

2.2 Разработка модели передачи потоковых данных с обратной связью в Р2Р-сети с древовидной топологией...............................................................................49

2.3 Разработка модели передачи потоковых данных с обратной связью и коррекцией потерь чанков БЕС в Р2Р-сети с древовидной топологией..............58

2.4 Выводы по главе..................................................................................................59

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ АДАПТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ..................................................................................61

3.1 Разработка алгоритмов адаптивного управления коррекцией потерь чанков .....................................................................................................................................61

3.1.1 Разработка алгоритма оценки качества......................................................61

3.1.2 Разработка порогового алгоритма управления.........................................63

3.2 Сравнение эффективности пропорционального и порогового алгоритмов управления..................................................................................................................64

3.2.1 Исходные данные для имитационного моделирования...........................64

3.2.2 Сравнение однослойной и многослойной древовидных топологий.......67

3.2.3 Сравнение эффективности работы пропорционального и порогового алгоритмов управления.........................................................................................68

3.2.4 Исследование влияния отключения узлов в одноранговой сети на качество передачи потоковых данных................................................................77

3.3 Управление параметрами сети с интегрированием параметров по времени 80

3.3.1 Разработка алгоритмов управления параметрами сети с интегрированием параметров по времени..........................................................80

3.3.2 Сравнение эффективности работы интегрального пропорционального и интегрального порогового алгоритмов управления..........................................83

3.3.3 Разработка алгоритмов управления с адаптивным изменением длительности интервала управления...................................................................88

3.4 Выводы по главе..................................................................................................90

ГЛАВА 4 РЕАЛИЗАЦИЯ ФРАГМЕНТА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОДНОРАНГОВОЙ СЕТИ.............................................................................................92

4.1 Анализ принципов реализации одноранговой сети.........................................92

4.1.1 Алгоритм разработки приложения.............................................................92

4.1.2 Использование VLC media player в работе приложения..........................93

4.1.3 Применение модели Эллиота-Гильберта...................................................94

4.1.4 Разработка структуры передаваемых сообщений.....................................96

4.2 Программная реализация фрагмента одноранговой сети...............................97

4.2.1 Анализ использования сокетов...................................................................97

4.2.2 Применение библиотеки Winsock.............................................................103

4.2.3 Методы использования беспротокольных (RAW) сокетов....................105

4.2.4 Создание процесса удаления клиента......................................................110

4.3 Оценка практических результатов...................................................................115

4.4 Выводы по главе..............................................................................................118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................119

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.........................................................................................122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В настоящее время происходит существенное увеличение доли услуг передачи мультимедийных потоковых данных режима реального времени в общем объеме Интернет-трафика. Для информационных потоков, таких как, например, аудио и/или видео, характерна все большая потребность в высокой скорости передачи. Это обуславливается растущими потребностями в услугах не только передачи пользовательских данных, но и вещания аудио/видеоинформации высокой четкости в реальном режиме времени, как со стороны частных лиц, так и деловых кругов. К таким услугам можно отнести телерадиовещание, конференцсвязь, телемедицину, дистанционное образование. Развитие услуг передачи потоковых данных по унифицированным 1Р-сетям (услуг вещания) с каждым годом принимает все более важное значение. Как мировое, так и российское научное сообщество уделяют всё большее внимание проблемам построения, разработки и исследования сетей групповой передачи мультимедийных потоковых данных и их алгоритмов функционирования.

Существует два основных подхода к решению проблемы перевода услуг вещания на 1Р-протокол. В первом случае доставка информационных пакетов обеспечивается путем их групповой маршрутизации на сетевом уровне посредством многоадресной рассылки, то есть 1Р-пакеты доставляются группе получателей с помощью их репликации на сетевых узлах. Однако такой подход используется лишь в сетях ограниченного размера, так как требует поддержки протоколов групповой маршрутизации на всех сетевых узлах и их обновления в зоне вещания [32]. Это требует высоких затрат на обновление сетевого оборудования, поэтому в глобальном масштабе такой подход не применим. Во втором случае при одноадресной передаче пакетов наличие даже небольшого количества клиентов, принимающих одновременно потоки непосредственно от источника (сервера), может привести к его перегрузке из-за ограниченности пропускной способности исходящего канала.

Для решения данной задачи используется другой подход, идея которого развивается мировым научным сообществом в течение последних нескольких лет, называемый peer-to-peer вещание (Р2Р, вещание в одноранговых сетях), где IP-сеть не подвергается каким-либо изменениям [64, 66, 73, 76, 98]. Все узлы сети работают как клиент и сервер одновременно за счёт установки специального программного обеспечения. Значительно снижается нагрузка на центральный сервер, данные передаются только нескольким хостам, которые, в свою очередь, передают данные другим. На сетевом уровне IP-пакеты доставляются от источника группе получателей отдельными информационными потоками, каждый в режиме одноадресной передачи. Однако задачи групповой маршрутизации информационных сегментов, которые называются чанками, возлагаются на прикладной уровень, то есть реализуются исключительно программными средствами пользовательских терминалов. Такой подход позволяет обеспечить передачу потоковой информации в глобальных сетях для большой группы пользователей [63, 103, 105, 111].

Существенный вклад в исследование и моделирование передачи потоковых данных в одноранговых сетях внесли Kinicki R., Claypool M., Loguinov D., Kleinrock L., Huahui Wu, Ross K.W., Clévenot F., Nain Ph., Deshpande H., Bawa M., Kang S., Самуйлов K.E., Кучерявый А.Е. и многие другие. Методы повышения качества передачи потоковых данных с применением избыточности рассматривались в работах авторов Dan G., Bolot J-C., Fodor V., Karlsson G., Sanchez I.S. Разработкой Р2Р-приложений для передачи потоковых данных занимались Jannotti J., Gifford D., Johnson К., Castro M., Druschel P. Развитием теоретической и практической базы помехоустойчивого кодирования занимались российские академики и ученые: Котельников В.А., Финк JI.M., Жижченко А.Б., Бородакий Ю.В.

При внезапном отключении узлов, а также при переключении клиента на другой информационный канал возникает проблема устойчивости передачи информации в сети, когда все последующие узлы в создаваемой цепочке также подвергаются длительным отключениям и, соответственно, интенсивным потерям

чанков до момента нахождения ими нового узла. Это приводит к существенному ухудшению качества обслуживания. Для решения этой проблемы необходимо проведение поисковых научно-исследовательских работ. Разработка новых моделей и алгоритмов, а также исследование их эффективности позволят предложить разработчикам сетевых протоколов прикладного уровня инновационные механизмы повышения качества передачи потоковых данных в глобальных сетях Интернет. Это, в свою очередь, должно ускорить развитие и реализацию новых подходов, как для построения современных сетей, так и для внедрения новых и востребованных высококачественных услуг вещания для различных сфер социально-экономической деятельности.

Объектом исследования является одноранговая сеть с многослойной древовидной топологией для передачи потоковых данных в реальном режиме времени.

Предмет исследования: теоретические и практические задачи повышения качества функционирования одноранговых сетей передачи потоковых данных за счет снижения коэффициента потерь чанков.

Целью работы является повышение качества обслуживания в одноранговых сетях передачи потоковых данных с многослойной древовидной топологией за счет уменьшения коэффициента потерь чанков.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи исследования:

1. Разработка математической модели, описывающей процессы передачи и обслуживания мультимедийного трафика реального времени в одноранговых сетях с топологией многослойного дерева.

2. Разработка алгоритмов оценки и адаптивного управления коррекцией потерь чанков в одноранговых сетях с многослойной древовидной топологией, позволяющих повысить качество передачи потоковых данных в сети Интернет.

3. Сравнительный анализ эффективности предложенных и существующих алгоритмов управления передачей потоковых данных в одноранговых сетях с многослойной древовидной топологией.

4. Разработка экспериментального однорангового приложения для потокового вещания в режиме реального времени, позволяющего оценивать качество передаваемых потоковых данных.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели передачи потоковых данных в одноранговых сетях с древовидной топологией с учётом граничных условий, отличающиеся от существующих тем, что описывают процесс передачи данных дискретно во времени и позволяют использовать алгоритмы оценки и адаптивного управления с учётом обратной связи.

2. Разработаны алгоритмы адаптивного изменения количества избыточных чанков в зависимости от коэффициента потерь чанков, такие как пороговый, интегральный пропорциональный и интегральный пороговый, позволяющие снизить коэффициент потерь чанков.

3. Разработанные алгоритмы оценки качества передачи потоковых данных адаптированы для применения на прикладном уровне одноранговой сети и позволяют эффективно использовать алгоритмы адаптивного управления.

4. Получены методы реализации одноранговых сетей, позволяющие использовать алгоритмы оценки и адаптивного управления передачей потоковых данных на прикладном уровне.

Практическая ценность и реализация работы заключается в том, что:

1. Использование предложенных моделей позволяет разрабатывать алгоритмы адаптивного управления, обеспечивающие повышение качества передачи данных реального времени вне зависимости от протоколов, используемых на нижних уровнях.

2. Предложенные алгоритмы адаптивного управления качеством групповой передачи потоковых данных обладают улучшенными характеристиками по сравнению с существующими алгоритмами в условиях высокого уровня потерь чанков и большого количества пользователей в сети.

3. Предложенный вариант реализации однорангового приложения позволяет имитировать потери чанков и производить измерение их

интенсивности, что позволяет оценивать эффективность алгоритмов адаптивной коррекции.

4. Результаты диссертационной работы использованы в ОП ООО «Д-Линк Раша» в г. Ижевске, а также в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова», что подтверждается соответствующими актами.

Методы исследования основаны на следующем:

1. Математическое моделирование. Для достижения основной цели исследования, прежде всего, разрабатывается математическая модель, описывающая процессы передачи и обслуживания мультимедийного трафика реального времени в Р2Р-сети. Предложенная математическая модель должна описывать как сам канал связи, так и источник мультимедийных данных с учетом наличия избыточности чанков в блоке, управляемой по результатам оценки состояния канала (качества обслуживания).

2. Теория вероятности и случайных процессов, теория оценки и управления. Для решения задачи адаптации избыточности чанков по критерию обеспечения заданного качества облуживания и пропускной способности канала связи необходимо разработать алгоритмы оценки состояния канала связи и управления избыточностью.

3. Имитационное моделирование. Для сравнительной оценки эффективности новых алгоритмов также предусматривается применение методов исследования имитационным моделированием с применением компьютерных средств.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенные математические модели, достоверно описывающие процессы групповой передачи потоковых данных в одноранговых сетях с многослойной древовидной топологией с учётом обратной связи и коррекции потерь чанков.

2. Разработанные алгоритмы оценки потерь чанков, учитывающие обратную связь и позволяющие применять алгоритмы адаптивного управления качеством обслуживания в сети.

3. Разработанные алгоритмы адаптивной коррекции потерь чанков (пороговый, интегральные алгоритмы), в несколько раз снижающие коэффициент потерь чанков в зависимости от условий функционирования одноранговой сети (уровня потерь чанков, интенсивности отключений узлов сети).

4. Сравнительные характеристики качества обслуживания, полученные методом имитационного моделирования, для одноранговых сетей показывающие преимущество в корректирующей способности разработанных алгоритмов над пропорциональным в условиях высоких потерь чанков.

5. Разработанное программное приложение, обеспечивающее трансляцию потоковых данных в режиме реального времени, позволяющее проводить оценку характеристик качества сети и задавать уровень потерь в сети.

Достоверность и обоснованность научных результатов работы подтверждается адекватностью применяемых для исследования математических методов, соответствием результатов имитационного моделирования выдвигаемым положениям, апробацией созданного научно-технического продукта в виде программного обеспечения, а также сравнительным анализом предложенных и существующих алгоритмов адаптивного управления. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена эк�