Радиотехника и связь
Системы, сети и устройства телекоммуникаций
Емельянов В.Н., соискатель Ижевского государственного технического университета имени М. Т. Калашникова
АЛГОРИТМ АДАПТАЦИИ ИНТЕРВАЛА УПРАВЛЕНИЯ FEC В P2P-СЕТЯХ
ПЕРЕДАЧИ ПОТОКОВЫХ ДАННЫХ
В статье рассматривается разработанный алгоритм адаптивного управления FEC с изменением величины интервала управления. Производится оценка эффективности разработанного алгоритма для повышения качества передачи потоковых данных в одноранговых сетях Интернет.
Ключевые слова: одноранговая сеть, чанк, FEC, CLR, обратная связь.
FEC ALGORITHM WITH ADAPTATION OF CONTROL INTERVAL IN STREAMING P2P-NETWORKS
This paper describes developed adaptive FEC control algorithm with unfixed time of control interval. Evaluated efficiency of the algorithm to improve the quality of streaming data in P2P-networks of Internet.
Keywords: peer-to-peer network, chunk, FEC-algorithm, CLR, feedback.
Введение
В настоящее время происходит увеличение доли услуг передачи потоковых данных в режиме реального времени. При этом активно используется подход, основанный на одноранговых сетях, называемый peer-to-peer вещание (P2P), при котором клиентский узел не только принимает потоковые данные для воспроизведения, но и транслирует их по запросу другим клиентским узлам. Таким образом, на пути от источника до получателя потоковых данных организуются цепочки из клиентских узлов, связанных друг с другом на прикладном уровне.
При передаче данных между клиентскими узлами Р2Р-сети могут происходить потери информационных пакетов в результате загруженности каналов, задержек передачи, нестабильности работы оборудования или программного обеспечения, но основные потери могут возникать из-за отключения промежуточных пользовательских терминалов из процесса трансляции. Во многих топологиях P2P-сетей при отключении узла передаваемые через него данные теряются, все последующие узлы также не получают никаких данных. В сети с топологией многослойного дерева присутствует устойчивость к отключениям узлов, так как каждый пакет до узла доставляется через различные маршруты, то есть имеется несколько промежуточных узлов передачи [1]. Наибольшее применение нашли два способа восстановления потерянных данных: метод автоматического запроса повторной передачи (ARQ - Automatic Repeat request) [2, 3] и метод прямой коррекции потерь (Forward Error Correction - FEC) [4, 5].
В работе рассматривается передача потоковых данных с использованием FEC. В моменты управления следует адаптивно изменять избыточность в зависимости от уровня потерь в сети, так как избыточности может быть недостаточно для восстановления утраченной информации. Если длительность интервала управления (tc) будет большой, то повысится точность измерений, но снизится скорость реакции системы. Поэтому важно адаптивно изменять длительность tc в зависимости от уровня потерь в сети.
Адаптация интервала управления избыточностью FEC
Канал связи рассматривается на прикладном уровне. Источник формирует поток данных - последовательность блоков, каждый из которых состоит из чанков. Чанк - это порция данных прикладного уровня, которая передается в одном IP-пакете сетевого уровня. В блок к информационным чанкам добавляется R избыточных, которые необходимы для восстановления потерянных чанков.
FEC имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что если избыточных чанков будет добавлено больше, чем требуется для коррекции потерь данных, то сеть может иметь большую долю избыточного трафика. С другой стороны, если избыточных чанков будет меньше, чем необходимо для восстановления потерянных чанков, то невозможно повысить качество обслуживания. Поэтому требуется выбор оптимального количества избыточных чанков, что реализуется с помощью применения алгоритмов адаптивного управления FEC [4, 5, 6].
Идея этих алгоритмов заключается в том, что через равные интервалы времени (интервалы управления) источник потока данных на основании периодически получаемой от узлов информации о качестве передачи принимает решение о выборе количества избыточных чан-ков в блоке. За показатель качества передачи потоковых данных примем коэффициент потерь чанков (Chunk Loss Rate - CLR), равный отношению количества потерянных чанков к общему числу переданных. В работе исследуется предложенный алгоритм, в котором адаптивно меняется не только количество избыточных чанков FEC, но и интервал управления.
Прием источником отклика (чанка обратной связи с информацией о качестве передачи потоковых данных) от одного узла еще не приводит к решению по управлению избыточности, так как узлы периодически с интервалом tf посылают источнику отклики независимо и, следовательно, асинхронно. На рисунке 1 представлен пример временной структуры управления, где четыре узла периодически посылают источнику отклики, а интервал управления tc равен интервалу отклика tf. Чанки обратной связи могут испытывать различные задержки At. Это, в свою очередь, означает, что интервал управления (продолжительность между принятием решений по избыточности потока данных) не может быть синхронным с интервалом отклика. Интервалы отклика различных узлов также не синхронны друг с другом.
Рис. 1. Структура интервалов отклика и управления
Интервал управления действует как временной фильтр, сглаживает краткосрочные всплески коэффициента потерь отдельных узлов и может также управляться адаптивно [6]. Таким образом, идея предложенного алгоритма заключается в том, что интервал управления по длительности не фиксирован, а изменяется в зависимости от измеренного коэффициента
потерь чанков (СЬЯм). В алгоритме рассматривается несколько диапазонов значений СЬЯ. При попадании значения СЬЯм в определённый диапазон, выбирается соответствующий ему интервал управления tc. В зависимости от требований приложения разработчиком может быть выбрано целевое значение коэффициента потерь чанков (С£Яц), к которому стремится система управления избыточностью [8].
Рассмотрим случай, когда tc принимает два возможных значения.
1. При СЬЯм>СЬЯц,, tc=tf. Клиентские узлы периодически производят измерение значения СЬЯм и отсылают отклики обратной связи. Количество избыточных чанков, определяемых алгоритмом управления, вычисляется по формуле [7]:
где: у - пропорциональный коэффициент, выбираемый на основе имитационного моделирования, либо опытным путём.
2. При СЬЯм<СЬЯц tc=C•tf, где С - количество интервалов отклика, входящих в один интервал управления. Посылка откликов осуществляется в каждый интервал управления. Определение количества избыточных чанков производится по следующему алгоритму:
• если СЬЯц > СЬЯм > 0,5СЬЯц, то избыточность не изменяется;
• если 0,5СЬЯц > СЬЯм > 0,25СЬЯц количество избыточных чанков уменьшается на
один избыточный чанк в блоке;
• если СЬЯм < 0,25СЬЯц, Я уменьшается на два избыточных чанка в блоке.
Оценка эффективности алгоритма адаптивного управления ЕЕС
Для оценки эффективности разработанного алгоритма проведено имитационное моделирование процессов передачи потоковых данных в Р2Р-сети с многослойной древовидной топологией, состоящей из 1000 узлов. Длина каждого блока потоковых данных равна 20 чан-кам, количество избыточных чанков в блоке может принимать значения от 0 до 8. Скорость передачи потоковых данных составляет 3 Мбит/с. Интервал управления принимает два значения 1,05 (с) и 21 (с).
На рисунках 2 и 3 показаны зависимости среднего значения коэффициента потерь чанков СЬЯср и среднего количества избыточных чанков в блоке Яср от пропорционального коэффициента у при заданной вероятности потерь между двумя последовательными узлами Рп=0,02. Значение Яср достигает максимума при у>25, в результате чего значение СЬЯ становится минимальным.
Я = гСЬЯм - СЬЯц),
(1)
о
о
о
50
100
150
0
50
100
150
У
Рис. 2. Зависимость СЬЯср от у при изменении tc
c
У
Рис. 3. Зависимость Яср от у при изменении tc
Рис. 4. Зависимость ^R (а) и R (б) от t при изменении tc
На рисунке 4 представлен результат моделирования процесса передачи данных для у=10 при импульсном изменении Рп с амплитудой от 0 до 0,05. В этом случае С!Яср=0,035±0,04, что в 9,5 раз ниже по сравнению с коэффициентом потерь чанков при отсутствии коррекции БЕС (СЬКб{ес), при этом среднее количество избыточных чанков составило 5,70±0,15. Результаты моделирования показали, что количество резких колебаний СЬК невелико. Увеличение К происходит только в случае наличия потерь, превышающих СЬКц, а уменьшение К - через интервал управления, равный 20 интервалам обратной связи.
Заключение
Результаты имитационного моделирования показывают, что представленный алгоритм позволяет улучшить качество передачи данных за счет уменьшения коэффициента потерь чанков. Алгоритм обеспечивает незамедлительную реакцию на изменения условий в сети, сглаживает краткосрочные всплески коэффициента потерь. В зависимости от задач при использовании разработанного алгоритма управления необходимо выбирать соответствующее значение пропорционального коэффициента, например, при высоких значениях у уменьшается количество потерь, но вводится больше избыточных чанков. Дальнейшие исследования могут быть направлены на поиск оптимальных значений интервала управления в различных условиях функционирования сети.
ЛИТЕРАТУРА
1. Dan G. Robust source-channel coding for real-time multimedia / G. Dan, V. Fodor, G. Karlsson // Multimedia Systems. - February 2008. - Volume 13. - P. 363-377.
2. Павлова, М.М. Оценка эффективности алгоритма ARQ при передаче потоковых данных в WLAN / М.М. Павлова, А.В. Абилов // T-Comm - Телекоммуникации и транспорт, 2012. - №7 - С. 141-146.
3. Чунаев, А.В. Влияние характеристик передачи потоковых данных на качество видео в WLAN / А.В. Чунаев, А.В. Абилов // T-Comm - Телекоммуникации и транспорт, 2012. -№7 - С. 219-225.
4. French K. Repair of Streaming Multimedia with Adaptive Forward Error Correction / K. French, M. Claypool // In Proceedings of SPIE Multimedia Systems and Applications (part of ITCom). - Denver, Colorado, USA, August 2001.
5. Park K. AFEC: An adaptive forward error correction
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.