Θέμα: Μελέτη διαχείρισης ροών πληροφορίας με μοντέλα fluid-flow και ανάπτυξη προσομοίωσης συστήματος αναμονής

Transcript

1 AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΡΑΓΙΑΝΝΗ ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ Θέμα: Μελέτη διαχείρισης ροών πληροφορίας με μοντέλα fluid-flow και ανάπτυξη προσομοίωσης συστήματος αναμονής Επιβλέπων: Μητράκος Δημήτριος Αναπληρωτής Καθηγητής Θεσσαλονίκη, Σεπτέμβριος 27

2 Αμαθέστερον πως είπε καί σαφέστερον. Αριστοφάνης Θεός τοίς αργούσιν ου παρίσταται. Σοφοκλής 2

3 Περιεχόμενα Πρόλογος 5 1 Εισαγωγικές έννοιες 1.1 Εισαγωγή Γενικά για τα δίκτυα μεταγωγής πακέτων Γενικά για το Voice over IP Real-time streaming Το ζήτημα της καθυστέρησης στη μετάδοση ήχου Best effort μετάδοση της πληροφορίας Quality of Service (QoS) Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες (Differentiated Services - DiffServ) 17 2 Μοντέλα συστημάτων αναμονής 2.1 Εισαγωγικά στοιχεία Στοχαστικές διαδικασίες και στοχαστικά μοντέλα Μοντέλα αναμονής «ρευστού» Περιγραφή της κίνησης με το μοντέλο fluid flow approximation Markov-modulated fluid processes Το προς μελέτη ασύρματο σύστημα μεταγωγής πακέτων Ανάλυση του συστήματος με βάση το μοντέλο Markov-modulated fluid flow approximation Γενικά Το ασύρματο κανάλι και η μοντελοποίησή του Απόδοση ουράς αναμονής των Markov-modulated διαδικασιών Ανάλυση ουράς αναμονής των MMFP Πηγές πληροφορίας τύπου ON-OFF 31 3 Προγραμματιστικό μέρος -Ανάλυση πειραμάτων 3.1 Εισαγωγικά στοιχεία Ηχογράφηση ήχου Αναπαραγωγή αρχείων ήχου Η διαδικασία της κατωφλίωσης (thresholding) Η κλάση wavgenerator Η κλάση voicedperslot Η κλάση thecode Στατιστικά αποτελέσματα από την προσομοίωση 52 4 Συμπεράσματα - Προτάσεις για περαιτέρω μελέτη 63 I Παράρτημα I.1 Μοντέλα ανανέωσης (Renewal traffic models) 65 I.1.1 Η διωνυμική κατανομή (κατανομή Bernoulli) 65 3

4 I.1.2 Η διαδικασία Poisson 65 I.2 Διαδικασίες Markov 66 I.3 Ορισμένα κλασικά συστήματα αναμονής 67 I.4 Markov-Modulated Poisson Processes 69 II Παράρτημα II.1 Εισαγωγικά 7 II.2 Οι μηχανισμοί ΑRQ και FEC 7 II.2.1ARQ 7 II.2.2FEC 71 II.3 Το μοντέλο του ασύρματου καναλιού 72 Βιβλιογραφία 79 4

5 Πρόλογος Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η παρουσίαση των μαθηματικών μοντέλων αναμονής ρευστού (fluid flow approximation) που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη των συστημάτων αναμονής. Τα μοντέλα αυτά είναι σχετικά πρόσφατα στη βιβλιογραφία, ωστόσο πλέον είναι υπό συστηματική μελέτη, καθώς είναι πολλά υποσχόμενα για τον καλύτερο σχεδιασμό των ολοένα απαιτητικότερων δικτυακών συστημάτων. Πέρα από το θεωρητικό κομμάτι, στην εργασία δόθηκε μεγάλο βάρος στην ανάπτυξη της προσομοίωσης μίας ουράς αναμονής καναλιού το οποίο διεκδικούν διάφορες πηγές. Αναπτύχθηκε ο κατάλληλος κώδικας και διεξήχθησαν πειραματικές μετρήσεις για τη μελέτη της απόδοσης του συστήματος. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία συνοπτική αναφορά σε βασικές έννοιες που είναι απαραίτητο να τις έχουμε υπ όψιν προτού περάσουμε στην παρουσίαση του κυρίως θεωρητικού τμήματος της διπλωματικής, τα μοντέλα αναμονής ρευστού. Αρχικά γίνεται μία αναφορά γενικά για τα δίκτυα μεταγωγής πακέτων κι έπειτα πιο ειδικά για την τεχνολογία του Voice over IP. Έπειτα, ασχολούμαστε με το real-time streaming, το οποίο χρησιμοποιείται ολοένα και περισσότερο στις διάφορες δικτυακές εφαρμογές πολυμέσων, ιδιαίτερα δε στα ασύρματα δίκτυα. Στις προαναφερθείσες υπηρεσίες πρωταρχικής σημασίας είναι το ζήτημα της καθυστέρησης στη μετάδοση της πληροφορίας, το οποίο σε συνδυασμό με κάποια άλλα χαρακτηριστικά καθορίζει την ποιότητα της υπηρεσίας. Αυτή διασφαλίζεται με τους λεγόμενους μηχανισμούς του Quality of Service. Επίσης, γίνεται αναφορά στην best effort μετάδοσης της πληροφορίας και τις Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες. Το δεύτερο κεφάλαιο αφορά στα μοντέλα συστημάτων αναμονής και πιο συγκεκριμένα, στα μοντέλα αναμονής ρευστού. Τα μοντέλα αυτά άρχισαν σχετικά πρόσφατα να χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση συστημάτων αναμονής σε δίκτυα τηλεπικοινωνιών και αποδεικνύονται εξαιρετικά πετυχημένα και ακριβή. Υπάρχει ακόμη δρόμος για τη θεωρητική μελέτη και βελτίωσή τους, ωστόσο φαίνεται ότι στο μέλλον θα είναι τα κυρίαρχα μοντέλα. Πιο ειδικά, εξετάζονται οι Markov-modulated fluid processes. Με βάση το fluid flow παρουσιάζεται η θεωρητική μοντελοποίηση ενός ασύρματου καναλιού στο οποίο εκπέμπουν clients για να επικοινωνήσουν με ένα σταθμό βάσης. Καταστρώνονται οι εξισώσεις που περιγράφουν το σύστημα και δίνονται οι λύσεις τους για τον υπολογισμό χρήσιμων μετρητικών στοιχείων που καθορίζουν την απόδοση του καναλιού. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το προγραμματιστικό κομμάτι της διπλωματικής, καθώς και τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τα διάφορα πειράματα. Ο βασικός κώδικας που αναπτύχθηκε έχει σαν στόχο να προσομοιώσει τη λειτουργία ενός καναλιού στο οποίο προσπαθούν να εκπέμψουν ταυτόχρονα πολλές πηγές, χωρίς πάντα να επαρκεί η χωρητικότητα του καναλιού. Αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος κατανομής με τυχαίο τρόπο των 5

6 πηγών στο κανάλι, καθώς και μηχανισμοί για την αποθήκευση και επανεκπομπή καθυστερημένων πακέτων. Επίσης, αναλύονται και οι διάφοροι βοηθητικοί κώδικες που χρειάστηκε να φτιαχτούν, όπως κώδικας για ηχογράφηση, αναπαραγωγή αρχείων ήχου κλπ. Παράλληλα, παρουσιάζονται οι στατιστικές μετρήσεις που έγιναν κατά την εκτέλεση των πειραμάτων, οι οποίες δίνουν βασικά μετρητικά χαρακτηριστικά με τα οποία μπορούμε να δούμε την απόδοση του συστήματος κάτω από διαφορετικές απαιτήσεις. Στο τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα από την εργασία που εκπονήθηκε μαζί με τις προτάσεις για περαιτέρω μελέτη. Στο τέλος της διπλωματικής εργασίας βρίσκονται δύο παραρτήματα. Στο παράρτημα I παρουσιάζονται συνοπτικά ορισμένα κλασικά συστήματα αναμονής, τα οποία χρησιμοποιούνταν κατά κόρον πριν τα μοντέλα αναμονής ρευστού. Δίνονται στοιχεία για τα μοντέλα ανανέωσης, τις διαδικασίες Markov, τα μοντέλα του τύπου Α/Β/Γ/Δ, καθώς και για τις διαδικασίες Poisson διαμορφωμένες κατά Markov. Στο δεύτερο παράρτημα παρουσιάζεται αρκετά αναλυτικά η μαθηματική μοντελοποίηση με μοντέλο Markov modulated fluid flow approximation ενός συστήματος αναμονής που περιλαμβάνει και μηχανισμούς διόρθωσης λαθών. Επιπλέον, περιγράφονται συνοπτικά οι μηχανισμοί ARQ και FEC για τη διόρθωση λαθών. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον κ. Μητράκο για τη συνεργασία μας, καθώς και για τις κατευθύνσεις προς μελέτη που μου έδινε κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της διπλωματικής. Αυτές ενδεχομένως να μην χρησιμοποιήθηκαν άμεσα, ωστόσο με βοήθησαν να συνειδητοποιήσω το αχανές της επιστήμης! Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους συναδέλφους που με βοήθησαν σε διάφορα προγραμματιστικά ζητήματα που ανέκυπταν και ιδιαίτερα τα μέλη της διαδικτυακής κοινότητας των ηλεκτρολόγων, το thmmy.gr. Τέλος, τους γονείς μου, για την υποστήριξή τους κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της διπλωματικής, όπως και κατά τη διάρκεια όλων των σπουδών μου άλλωστε. Κατερίνα Καραγιάννη Σεπτέμβρης 27 6

7 Κεφάλαιο 1 ο Εισαγωγικές έννοιες 1.1 Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια, οι επικοινωνίες έχουν σημειώσει ραγδαία αύξηση και στην καθημερινότητα των ανθρώπων παγκοσμίως έχουν μπει εφαρμογές όπως το Διαδίκτυο, τα κινητά τηλέφωνα κλπ. Τα δίκτυα μεταγωγής πακέτων χρησιμοποιούνται σε όλο και περισσότερες εφαρμογές και η τηλεπικοινωνιακή κίνηση που διακινείται μέσω αυτών έχει κατά πολύ ξεπεράσει αυτή των παραδοσιακών δικτύων μεταγωγής κυκλώματος. Εφαρμογές όπως το VoIP και γενικότερα το real-time streaming χρησιμοποιούνται πλέον κατά κόρον από τους χρήστες και μάλιστα, οι εφαρμογές αυτές γίνονται όλο και πιο δημοφιλείς σε ασύρματα δίκτυα. Ωστόσο, οι απαιτήσεις τους σε πόρους δικτύου είναι αρκετά υψηλές και γι αυτό το λόγο πρέπει να αναπτυχθούν οι κατάλληλοι μηχανισμοί που θα διασφαλίζουν ότι όλες οι υπηρεσίες που διεκπεραιώνονται μέσω των δικτύων μεταγωγής πακέτων έχουν την ποιότητα που απαιτούν οι χρήστες. Μέσα σε αυτό το πλαίσιο ήταν επιτακτική η δημιουργία μηχανισμών όπως το Quality of Service. 1.2 Γενικά για τα δίκτυα μεταγωγής πακέτων H μεταγωγή πακέτων, το λεγόμενο packet-switching ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του 6 ως μία επαναστατική ιδέα για τη μετάδοση πληροφοριών και έθεσε τη βάση για το σχεδιασμό του ARPANET και στη συνέχεια του Internet Protocol, παρέχοντας έτσι την απαραίτητη τεχνολογία που οδήγησε στην επιτυχία του Διαδικτύου σήμερα. Η ιδέα του packet switching ήταν μία δραστική μετάβαση από το μοντέλο των δικτύων επικοινωνίας που κυριαρχούσε τότε, το οποίο χρησιμοποιεί αναλογικά κυκλώματα, κατασκευασμένα κυρίως για επικοινωνία με ήχο (PSTN - Public switched telephone network). Το packet switching εγκαθίδρυσε ένα καινούργιο μοντέλο ψηφιακών συστημάτων τα οποία χωρίζουν τα μηνύματα πληροφορίας σε πακέτα τα οποία μεταδίδονται ξεχωριστά και στο τέλος της διαδρομής τους, όταν θα έχουν φτάσει στον δέκτη, συνενώνονται πάλι για να δώσουν το αρχικό μήνυμα πληροφορίας. Το μεγάλο και καινοτόμο πλεονέκτημα του packet switching είναι ότι «επέτρεπε περισσότερα με λιγότερα». Έτσι, είναι δυνατό το πέρασμα των πακέτων μέσα από διάφορους κόμβους (routing) και μπορούμε να έχουμε μεταφορά πληροφορίας από πολλαπλές πηγές μέσω του ίδιου μέσου μετάδοσης δεδομένων, την ίδια χρονική στιγμή. Επίσης, επέτρεψε την κατασκευή δικτύων δεδομένων με πολύ χαμηλό κόστος και με μεγαλύτερο throughput, ευέλικτων και σταθερών. Με την πρώτη ματιά, το packet-switched σύστημα μετάδοσης της πληροφορίας φαίνεται να εισάγει δύο συμβιβασμούς στον σχεδιασμό των 7

8 τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Πρώτον, την ασυνέχεια, καθώς δεν έχει πάντα το πλεονέκτημα της συνεχούς και αδιάλειπτης σύνδεσης, όπως στα circuit-switched συστήματα. Δεύτερον, την κωδικοποίηση που πρέπει να γίνει στο αναλογικό σήμα εισόδου, έτσι ώστε να εισέλθει στο δίκτυο ως ψηφιακό σήμα και στη συνέχεια να γίνει η αποκωδικοποίηση του ψηφιακού σήματος σε αναλογικό, όταν αυτό θα φτάσει στον προορισμό του. Αυτά όμως τα υποθετικά μειονεκτήματα υποσκελίζονται αν αναλογιστούμε τέσσερα πρακτικά πλεονεκτήματα που οδήγησαν στην τεράστια εξάπλωση των packet-switched δικτύων. Πρώτον, είναι ψηφιακά και η ψηφιακή πληροφορία δεν «φθείρεται» Φυσικά, υπάρχουν ζητήματα απώλειας πακέτων κάτω από ορισμένες συνθήκες, ωστόσο υπάρχουν μηχανισμοί για να περιοριστούν αυτές οι απώλειες. Δεύτερον, το ζήτημα της επεξεργασίας. Τα πακέτα αριθμούνται και διατρέχουν το δίκτυο ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, ακολουθώντας πιθανώς διαφορετικές διαδρομές. Κατά τη διαδρομή τους περνάνε από κόμβους, όπου υπάρχει μνήμη για την προσωρινή αποθήκευση των πακέτων. Επιπλέον υπάρχουν επεξεργαστές και συστήματα λογισμικού τα οποία ελέγχουν την κίνηση των πακέτων. Όσο βελτιώνονται αυτά τα συστήματα τόσο πιο αποτελεσματικά θα λειτουργεί το δίκτυο. Τρίτον, το στοιχείο του πλεονασμού (redundancy). Είναι χαρακτηριστικό αυτών των δικτύων ότι πακέτα που ανήκουν στο ίδιο μήνυμα μπορεί να περάσουν από πολύ διαφορετικά μονοπάτια κατά τη διαδρομή τους προς τον τελικό προορισμό. Αυτό σημαίνει ότι με το packet-switching εξαλείφεται η εξάρτηση από οποιοδήποτε σύνδεσμο επικοινωνίας (communication link) κι έτσι το δίκτυο μπορεί να αντέξει σημαντική καταστροφή, χωρίς εντούτοις να υπάρχει σημαντική υποβάθμιση της μεταφερόμενης πληροφορίας. Τέλος, μεγάλο πλεονέκτημα των δικτύων μεταγωγής πακέτων είναι η αποδοτικότητα. Το γεγονός ότι το αρχικό μήνυμα διασπάται σε μικρότερα τα οποία έχουν μικρό μέγεθος και μπορούν να περάσουν από διαφορετικές διαδρομές, αυξάνει κατά πολύ το βαθμό αξιοποίησης των τηλεπικοινωνιακών πόρων. Επιπλέον, επιτρέπει σε περισσότερες από μία πηγές να μοιράζονται την ίδια χρονική στιγμή έναν δεδομένο σύνδεσμο, το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα να αυξάνεται ο αριθμός των συνολικών επικοινωνιών που μπορεί το δίκτυο να υποστηρίξει σε μία οποιαδήποτε στιγμή. Aρχικά, το τότε «κατεστημένο» των τηλεπικοινωνιών, κυρίως οι τηλεπικοινωνιακές εταιρίες, ήταν σκεπτικές πάνω στην καινούργια ιδέα, γρήγορα όμως έγινε φανερό ότι ένα packet-switched δίκτυο τυπικά δουλεύει καλύτερα, γρηγορότερα και οικονομικότερα από ότι ένα δίκτυο μεταγωγής κυκλώματος. Το γεγονός ότι πολλές πηγές μπορούν να χρησιμοποιούν ταυτόχρονα τους ίδιους πόρους δικτύου αποτελεί την ειδοποιό διαφορά των δικτύων μεταγωγής πακέτου, γεγονός που έκανε τα εκτεταμένα δίκτυα επικοινωνιών (WANs, wide area networks) και φυσικά το ίδιο το Internet δυνατά και αποδοτικά. 8

9 Πώς λειτουργεί η μεταγωγή πακέτων Η κεντρική ιδέα του packet switching είναι όπως είδαμε η διαίρεση των δεδομένων προς αποστολή σε ξεχωριστά πακέτα ίδιου μεγέθους. Τα πακέτα περνάνε μέσα από το δίκτυο και όταν φτάσουν στον προορισμό τους τοποθετούνται στην σωστή σειρά. Υπάρχει μία σειρά διαδικασιών και ελέγχων για το αν έχουν χαθεί πακέτα στη διαδρομή, έτσι ώστε να γίνει επαναποστολή πακέτων όταν αυτό κρίνεται απαραίτητο. Στο Internet, ένα τυπικό μέγεθος πακέτου είναι περίπου ένα kilobyte. Ένα μεγάλο μήνυμα προς αποστολή μπορεί να διαιρεθεί σε χιλιάδες ξεχωριστά πακέτα. Η αρχή ενός πακέτου λέγεται header (πρόθεμα) και καταγράφει τις ακόλουθες πληροφορίες: - Το ποιος στέλνει το μήνυμα. Στο Διαδίκτυο είναι η IP address του υπολογιστή που αποστέλλει την πληροφορία - Τον προορισμό του μηνύματος - Το μήκος πακέτου σε bytes - Το συνολικό αριθμό πακέτων που περιλαμβάνει ολόκληρο το μήνυμα προς αποστολή - Τον χαρακτηριστικό αριθμό που έχει αποδοθεί στο συγκεκριμένο πακέτο, προκειμένου να γίνει η ανασύνθεση του αρχικού μηνύματος στον προορισμό. Τα παραπάνω δεδομένα παρέχουν στους ενδιάμεσους κόμβους (routers) τις απαραίτητες πληροφορίες έτσι ώστε να δρομολογήσουν τα πακέτα στον προορισμό τους. Προκειμένου να εξασφαλιστεί η ποιότητα του τελικού μηνύματος έχουν επινοηθεί διάφοροι αλγόριθμοι διόρθωσης λαθών. Προκειμένου να λειτουργήσουν αυτοί οι αλγόριθμοι προστίθεται στον header των πακέτων ένας αριθμός ο οποίος αντιπροσωπεύει έναν μαθηματικό συνδυασμό των δεδομένων του υπόλοιπου πακέτου. Ακόμα και ένα bit του μηνύματος να έχει αλλάξει κατά τη διάρκεια της μετάδοσης ο υπολογισμός του error correction code από τον router θα δώσει διαφορετικό αποτέλεσμα από αυτό που έχει καταχωρηθεί στον header του πακέτου. Έτσι, το συγκεκριμένο πακέτο θα απορριφθεί, δεν θα προωθηθεί από το δίκτυο και μπορεί να γίνει αίτηση για την επανεκπομπή του. 1.2 Γενικά για το Voice over IP To πρωτόκολλο Voice over Internet, αλλιώς αποκαλούμενο και VoIP, IP τηλεφωνία ή Ίντερνετ τηλεφωνία, είναι στην ουσία ένας μηχανισμός μεταγωγής πακέτων φωνής μέσα από το Διαδίκτυο ή γενικότερα μέσω δικτύων επικοινωνίας τύπου IP. Οι κλήσεις τύπου VoIP σε VoIP είναι δωρεάν. Υπάρχει δυνατότητα κλήσεων από VoIP σε τηλέφωνα του απλού PSTN δικτύου και αντίστροφα, ωστόσο υπάρχει κόστος το οποίο πρέπει να καταβληθεί στους παροχείς υπηρεσιών VoIP. 9

10 Το να χάνονται πακέτα σε ένα τέτοιο δίκτυο είναι αναπόφευκτο και έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της ποιότητας του ήχου στον δέκτη. Υπάρχουν πολλές τεχνικές ανάκτησης που οι σχεδιαστές των δικτύων μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να περιορίσουν τα ανεπιθύμητα αποτελέσματα της απώλειας πακέτων. Μερικές από αυτές τις τεχνικές έχουν να κάνουν με τον αποστολέα (sender-based), ενώ άλλες με το δέκτη (receiver-based procedures). Εικόνα 1.1 : Το VoIP από άκρη σε άκρη (end-to-end) Η μεταφορά των πακέτων φωνής γίνεται με βάση το πρωτόκολλο UDP, επομένως η ορθή και γρήγορη μεταφορά τους δεν είναι εγγυημένη. Το ζήτημα της καθυστέρησης και της διακύμανσης της καθυστέρησης είναι υπαρκτό στο VoIP και επηρεάζει κατά πολύ την ποιότητα της παρεχόμενης υπηρεσίας. Στις επικοινωνίες πραγματικού χρόνου (real-time communications) ένα πακέτο ήχου που φτάνει στον δέκτη καθυστερώντας περισσότερο από ότι είναι ανεκτό, είναι άχρηστο και ισοδυναμεί με ένα χαμένο πακέτο. Όταν χάνουμε πακέτα, η ποιότητα του λαμβανόμενου ήχου στον δέκτη υποβαθμίζεται. Άλλες προκλήσεις για το VoIP είναι οι απώλειες πακέτων, είτε λόγω καθυστέρησης είτε λόγω καταστροφής τους, το ζήτημα της ηχούς, η πιστότητα, η ασφάλεια των μεταφερόμενων δεδομένων και φυσικά το διαθέσιμο εύρος ζώνης από το κανάλι επικοινωνίας. Επίσης, υπάρχει και το ζήτημα της προώθησης της τηλεπικοινωνιακής κίνησης του VoIP μέσα από firewalls. Από τα παραπάνω φαίνεται ότι στο VoIP πρέπει να αναπτυχθούν όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά πρωτόκολλα ελέγχου της τηλεπικοινωνιακής κίνησης, έτσι ώστε να αποφεύγονται κυκλοφοριακές συμφορήσεις στο δίκτυο και να κατανέμονται οι πόροι του με τον αποδοτικότερο τρόπο. Ενδεικτικά, κάποια από τα πρωτόκολλα που εγγυώνται ποιότητα στην παρεχόμενη υπηρεσία είναι τα RTCP XR (RFC3611), SIP RTCP, H.46.9 Annex B (για το H.323), H και οι MGCP επεκτάσεις Real-time streaming Η τεχνολογία του Internet έχει καθιερωθεί ως η κινητήριος δύναμη πίσω από τις εξελίξεις στην περιοχή των δικτύων τηλεπικοινωνιών. Το μέγεθος της τηλεπικοινωνιακής κίνησης που μεταφέρεται διαμέσου πακέτων έχει αυξηθεί τόσο, που η παραδοσιακή μεταφορά του ήχου μέσω circuit switched δικτύων είναι πιθανόν να ατονήσει εντελώς στο μέλλον και να δώσει τη θέση της στις 1

11 packet-switched τηλεπικοινωνίες, για internet telephony, video conferencing και άλλες υπηρεσίες που προσφέρονται μέσω του Διαδικτύου. Ταυτόχρονα, τα ασύρματα δίκτυα παρουσιάζουν μία παρόμοια εκθετική αύξηση της χρήσης και της σημασίας που έχουν για τους χρήστες. Είναι χαρακτηριστικό το παράδειγμα της Φιλανδίας, όπου ο αριθμός των συνδρομών για κινητή τηλεφωνία έχει ξεπεράσει τον αριθμό των συνδρομών για σταθερές γραμμές. Τα δύο παραπάνω στοιχεία που αναφέρθηκαν, δηλαδή η ραγδαία εξάπλωση της χρήσης του Internet και η επιτυχία των ασυρμάτων δικτύων, δείχνουν ότι τα επόμενα χρόνια η καινούργια τάση θα είναι η χρήση ασύρματων υπηρεσιών Internet. Η εγκατάσταση των λεγόμενων hot-spots (χώροι όπου υπάρχει ασύρματη παροχή Internet) είναι εξαιρετικά απλή υπόθεση και σε τέτοια δίκτυα μπορεί να συνδεθεί κάποιος με εξοπλισμό όπως φορητοί υπολογιστές, PDA s κλπ. Επιπλέον, έχουν αρχίσει να γίνονται εξαιρετικά δημοφιλή τα WLANs (wireless local area networks), χάρη στην ευελιξία που προσφέρουν, τους υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης και το χαμηλό κόστος εγκαταστάσεων. Στα ασύρματα δίκτυα, μεγάλη μερίδα του λέοντος στις μεταφερόμενες πληροφορίες έχει το λεγόμενο real-time streaming. Εφαρμογές δηλαδή που την στιγμή που παράγονται στην πηγή αποστέλλονται στον δέκτη, όπου και αναπαράγονται. Ωστόσο, το real-time streaming σε ασύρματα δίκτυα, τόσο με δεδομένα ήχου όσο και με δεδομένα βίντεο, δεν είναι απλή υπόθεση και έχει μεγαλύτερες απαιτήσεις από ότι στα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Οι βασικοί λόγοι για αυτό είναι δύο. Πρώτον, το γεγονός ότι στα ασύρματα δίκτυα το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι μικρότερο. Κατά δεύτερον, λόγω της μη αξιοπιστίας του ασύρματου μέσου μετάδοσης. Αυτοί είναι και οι λόγοι για τους οποίους τεχνικές για real-time streaming ενσύρματων δικτύων που εφαρμόστηκαν σε ασύρματα δίκτυα απέτυχαν να έχουν ικανοποιητικά αποτελέσματα. Στα ενσύρματα δίκτυα οι περισσότερες απορρίψεις πακέτων συμβαίνουν όταν ένας κόμβος είναι υπερφορτωμένος. Αντιθέτως, στα ασύρματα δίκτυα τις περισσότερες φορές η αιτία είναι η ασταθής και αναξιόπιστη φύση του ασύρματου μέσου μετάδοσης. Οι μηχανισμοί ελέγχου στα ενσύρματα δίκτυα έχουν συνήθως ως στόχο τη μείωση του ρυθμού αποστολής δεδομένων όταν παρατηρείται συμφόρηση στο δίκτυο. Εάν εφαρμόζαμε αυτούς τους μηχανισμούς στα ασύρματα δίκτυα θα είχαμε ως αποτέλεσμα έναν μονίμως χαμηλό ρυθμό αποστολής, καθώς ο μηχανισμός ελέγχου ροής θα «μπέρδευε» τις απώλειες από την αλλοίωση του καναλιού με τις απώλειες λόγω κυκλοφοριακής συμφόρησης Το ζήτημα της καθυστέρησης στη μετάδοση ήχου Το ζήτημα της καθυστέρησης είναι πάρα πολύ σημαντικό για τις real-time streaming εφαρμογές μετάδοσης ήχου. Καθυστερήσεις μεγαλύτερες από ορισμένα όρια μπορούν να επιφέρουν μεγάλη υποβάθμιση στην ποιότητα της φωνής, ακόμη κι αν δεν συνοδεύονται από μεγάλες απώλειες πακέτων. Η ITU 11

12 (International Telecommunications Union), στην σύστασή της G.114, ορίζει ποια είναι τα επιτρεπόμενα όρια καθυστέρησης για πακέτα φωνής. Αυτά φαίνονται στον ακόλουθο πίνακα (να σημειωθεί ότι πρόκειται για μονόδρομη καθυστέρηση, κι όχι round trip time). Εύρος σε msec Περιγραφή -15 Αποδεκτή για τις περισσότερες εφαρμογές Αποδεκτή, υπάρχει υποβάθμιση της ποιότητας 15-4 λόγω καθυστερήσεων και απορρίψεων πακέτων που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη από τους διαχειριστές της εφαρμογής >4 Μη αποδεκτή καθυστέρηση για το σχεδιασμό του δικτύου. Πίνακας 1.2 : Σύσταση ITU επιτρεπομένων ορίων καθυστέρησης για πακέτα φωνής Οι παραπάνω συστάσεις βέβαια, είναι αρκετά αυστηρές, καθότι ορίστηκαν για χρήση από εθνικούς τηλεπικοινωνιακούς φορείς. Σε γενικές γραμμές, στα ιδιωτικά δίκτυα μπορεί να ειπωθεί ότι μία καθυστέρηση έως και 2ms είναι ικανοποιητικά ανεκτή, με άνω όριο τα 25ms. Η καθυστέρηση υποβαθμίζει πολύ την ποιότητα της μεταφερόμενης πληροφορίας κι αυτό γίνεται ακόμη πιο έντονο σε εφαρμογές VoIP, κι όχι τόσο του απλού μονόδρομου voice streaming. Όταν σε μία συνδιάλεξη το λεγόμενο mouth-to-ear delay (από το στόμα του ομιλητή στο αυτί του συνομιλητή) είναι μεγαλύτερο από τα όρια που ορίστηκαν παραπάνω, τότε παρουσιάζεται το φαινόμενο της υπέρθεσης. Εξαιτίας της υπέρθεσης η επικοινωνία δε γίνεται με ομαλότητα. Την ώρα που μιλάει ο ένας ομιλητής μπορεί να καταφτάνει το καθυστερημένο μήνυμα της ομιλίας του άλλου, να υπάρχουν ταυτόχρονες παύσεις των συνομιλητών και γενικά η ροή του λόγου δεν είναι ομαλή Best effort μετάδοση της πληροφορίας Ως best effort χαρακτηρίζεται εκείνη η υπηρεσία δικτύου που έχει σαν σκοπό να μεταδώσει τις πληροφορίες στον αποδέκτη τους με έναν γενικά αποδοτικό τρόπο, χωρίς ωστόσο να παρέχει εγγυήσεις για την ποιότητα της υπηρεσίας. Μία καλή αναλογία για να καταλάβουμε τι αποτελεί το best effort στα δίκτυα επικοινωνιών είναι το απλό ταχυδρομείο. Η υπηρεσίας της αποστολής γραμμάτων μέσω του απλού ταχυδρομείου είναι οικονομική και ικανοποιητική σε μεγάλο βαθμό, ωστόσο δεν υπάρχει εγγύηση για το αν ένα γράμμα θα φτάσει στον προορισμό του ή για το αν θα φτάσει έγκαιρα εκεί. Προκειμένου να υπάρξουν τέτοιες εγγυήσεις θα πρέπει να λειτουργήσουν επιπλέον 12

13 μηχανισμοί, όπως η μεταφορά από τον παραλήπτη μηνύματος ότι έχει λάβει το γράμμα, με αντίστοιχη φυσικά αύξηση του κόστους. Κάπως έτσι λειτουργούν και τα δίκτυα επικοινωνιών. Ο βασικός όγκος των πληροφοριών μεταδίδεται με υπηρεσίες τύπου best effort, όπως για παράδειγμα το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο, η απλή περιήγηση σε ιστοτόπους κλπ. Ακόμη και ορισμένες εφαρμογές streaming μπορούν να καλυφθούν με μετάδοση best effort, ειδικά αυτές για τις οποίες δεν πειράζει τόσο να υπάρχει ένα μικρό ποσοστό πακέτων που δεν μεταδόθηκαν σωστά, όσο το να υπάρχει καθυστέρηση στη μετάδοση των πακέτων. Το best effort δεν περιέχει μηχανισμούς όπως κατανομή διαφορετικών προτεραιοτήτων στους clients ανάλογα με τις ανάγκες τους, μηχανισμούς ελέγχου λαθών στη μετάδοση, επανεκπομπών πακέτων κλπ. Εάν τέτοιες εφαρμογές δεν μεταδίδονταν με best effort τρόπο, αλλά υπήρχε και μηχανισμός διόρθωσης λαθών, αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε συμφόρηση του δικτύου με αποτέλεσμα την ακόμη μεγαλύτερη υποβάθμιση της πληροφορίας, λόγω των επιπλέον απωλειών πακέτων και των καθυστερήσεων. Στα δίκτυα που λειτουργούν με best effort τρόπο, το τι πόροι θα διατίθενται στους χρήστες εξαρτάται από τις στιγμιαίες συνθήκες συμφόρησης του δικτύου και δεν γίνεται κάποια διάκριση ανάμεσα στους χρήστες. Το γεγονός ότι δεν υπάρχουν μηχανισμοί ελέγχου εντοπισμού και διόρθωσης λαθών και γενικά μηχανισμοί που εγγυώνται κάποια ποιότητα υπηρεσίας οδηγεί σε ένα λιγότερο πολύπλοκο σύστημα και με χαμηλότερο κόστος λειτουργίας. Σε γενικές γραμμές, όταν οι εφαρμογές το επιτρέπουν, ένα δίκτυο τύπου best effort μπορεί να είναι πολύ αποδοτικό και οικονομικό στη λειτουργία του. Βέβαια, η κάθε εφαρμογή που διακινεί πληροφορίες μέσω ενός δικτύου έχει τις δικές τις απαιτήσεις, για αυτό και χρειάζονται οι κατάλληλοι μηχανισμοί που θα ικανοποιούν αυτές ακριβώς τις απαιτήσεις, είτε είναι το απλό best effort, είτε εγγυήσεις για μέγιστη καθυστέρηση, ποσοστό απώλειας πακέτων κλπ. Στα πρωτόκολλα TCP/IP, το IP είναι αυτό που παρέχει υπηρεσίες τύπου best effort στα πακέτα. To TCP από την άλλη είναι αυτό που παρέχει εγγυήσεις για την ορθή άφιξη τους. Το UDP, το οποίο λειτουργεί στο επίπεδο μεταφοράς του μοντέλου OSI, δεν προεγκαθιστά μια σύνδεση μεταξύ του αποστολέα πακέτων και του παραλήπτη όπως το TCP και αυτό σε συνδυασμό με τον χαμηλό έλεγχο λαθών που πραγματοποιεί, κάνει το UDP κατάλληλο για υπηρεσίες που απαιτούν best effort μετάδοση. Βέβαια, το δίκτυο μπορεί ταυτόχρονα να διαθέτει και κατάλληλα πρωτόκολλα υψηλότερου επιπέδου για τις εφαρμογές εκείνες που θέλουν υπηρεσίες δικτύου με εγγυήσεις. Σε γενικές γραμμές, η αποκλειστική χρήση του best effort έχει εγκαταλειφθεί και οι σύγχρονες προδιαγραφές ορίζουν εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσιών με διάφορα πρωτόκολλα, που ορίζονται γενικά ως μηχανισμοί Quality of Service (QoS), το οποίο θα παρουσιαστεί στη συνέχεια. 13

14 1.7 - Quality of Service (QoS) Το QoS (Quality of Service) ορίζεται από το ITU standard X.92 ως «το σετ των απαιτήσεων ποιότητας πάνω στη συνολική συμπεριφορά ενός ή περισσότερων αντικειμένων». Πιο συγκεκριμένα, στον τομέα των δικτύων μεταγωγής πακέτου που ενδιαφέρουν σε αυτήν τη διπλωματική, ο όρος QoS αναφέρεται στους μηχανισμούς εκείνους οι οποίοι ελέγχουν τη δέσμευση πόρων του δικτύου από τις διάφορες πηγές-τερματικά που τους χρειάζονται, παρέχοντας με αυτόν τον τρόπο προνομιακές υπηρεσίες σε αυτά. Το QoS είναι ένας μηχανισμός που χρησιμοποιείται από πολλές τεχνολογίες, όπως για παράδειγμα στα δίκτυα ATM (Asynchronous Transfer Mode), τα ασύρματα δίκτυα 82.1, το Frame Relay και φυσικά στα δίκτυα τύπου IP. Το QoS είναι απαραίτητο στις περιπτώσεις εκείνες όπου οι διαθέσιμοι πόροι δικτύου και συγκεκριμένα το εύρος ζώνης, δεν επαρκούν για να καλύψουν τις ανάγκες των εφαρμογών. Η ύπαρξή του γίνεται ακόμη πιο απαραίτητη στις περιπτώσεις εκείνες όπου οι απαιτήσεις για ποιότητα στην υπηρεσία μεταφοράς είναι ακόμη μεγαλύτερες, όπως για παράδειγμα στις real-time streaming εφαρμογές (VoIP, IP-TV, streaming media κλπ). Αυτό που μπορεί να κάνει ο μηχανισμός QoS είναι να εγγυηθεί στις ροές δεδομένων που το έχουν ζητήσει, π.χ. μέσω του προγράμματος εφαρμογής ή μέσω του ISP, ότι θα διατεθούν σε αυτές οι απαραίτητοι πόροι για να επιτευχθεί η ποιότητα στη μεταφορά που απαιτούν. Αυτό σημαίνει ότι o μηχανισμός μπορεί να ορίσει διαφορετικές προτεραιότητες στις διάφορες ροές πληροφορίας, ανάλογα με τις ανάγκες της κάθε μίας. Σε γενικές γραμμές, ο στόχος του QoS είναι να μην χάνεται μεγάλο ποσοστό πακέτων και τα πακέτα να μην καθυστερούν περισσότερο από ένα όριο. Επιπλέον, το QoS πρέπει να διασφαλίσει ότι η παροχή προνομίων προς ορισμένες ροές δεδομένων δεν θα οδηγήσει στην υποβάθμιση της μεταφοράς άλλων δεδομένων που διακινούνται από το ίδιο δίκτυο. Έτσι, με το QoS μπορούμε να πετύχουμε τον αποτελεσματικότερο έλεγχο των πόρων δικτύου έτσι ώστε να μπορεί αυτό να υποστηρίξει ταυτόχρονα τόσο τις μη απαιτητικές υπηρεσίες, όσο και τις απαιτητικές. Μάλιστα, χάρη στους μηχανισμούς του QoS, οι ISP μπορούν να προσφέρουν στους ειδικούς πελάτες τους ακριβώς τις υπηρεσίες και την ποιότητα των υπηρεσιών που αυτοί επιθυμούν. Τέλος, το QoS είναι η βάση εκείνη που θα μπορέσει να οδηγήσει στο μέλλον σε ένα πλήρως ενοποιημένο περιβάλλον πολυμεσικών εφαρμογών, όπου οι τελικοί χρήστες θα απολαμβάνουν ποικίλες υπηρεσίες, όπως Video on demand, VoIP, παγκόσμιος ιστός, , TVoIP κλπ μέσω του ίδιου ευρυζωνικού δικτύου και με ικανοποιητική ποιότητα για όλες τις εφαρμογές. Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί το QoS είναι να γίνεται κάποια «συμφωνία» του δικτύου με τις εφαρμογές που χρειάζονται τους πόρους του, έτσι ώστε πριν ξεκινήσει η μεταφορά των δεδομένων να έχουν δεσμευθεί οι απαραίτητοι πόροι που χρειάζεται η εφαρμογή. Κατά τη διάρκεια της συνόδου ελέγχονται διάφορα χαρακτηριστικά όπως η καθυστέρηση, ο ρυθμός 14

15 μετάδοσης δεδομένων κλπ, και ανάλογα δεσμεύονται επιπλέον πόροι ή αποδεσμεύονται σε περίπτωση που δεν είναι πλέον απαραίτητοι. Πιο συγκεκριμένα, τα εργαλεία που χρησιμοποιεί ο μηχανισμός QoS μπορούν να ταξινομηθούν στις ακόλουθες κατηγορίες: [13] Ταξινόμηση (Classification) Το QoS εντοπίζει και διαχωρίζει τις ροές πληροφορίας σε διαφορετικές κατηγορίες. Διαχείριση συμφορήσεων (Congestion management) Χρησιμοποιείται για την οδήγηση των ουρών πληροφορίας μέσα από διαφορετικές οδούς του δικτύου. Επιπλέον, τα εργαλεία αυτά αποτρέπουν μία ουρά αναμονής από το να γεμίσει και ταυτόχρονα οδηγεί στην ουρά την κίνηση που έχει τη μεγαλύτερη προτεραιότητα. Προσαρμογή/Αστυνόμευση (Shaping/Policing) Τα εργαλεία αυτά είναι υπεύθυνα για τον περιορισμό του εύρους ζώνης που μπορούν οι ροές κίνησης να χρησιμοποιούν. Αποτελεσματικότητα του συνδέσμου (Link efficiency) Πρόκειται για τεχνικές που φροντίζουν να περιορίζεται το φαινόμενο της καθυστέρησης στα «μονοπάτια» (paths) του δικτύου που έχουν μικρότερη ικανότητα μεταφοράς δεδομένων. Οι προαναφερθείσες διεργασίες φαίνονται παραστατικά στην ακόλουθη εικόνα: Εικόνα 1.3 : Εργαλεία του μηχανισμού QoS από άκρο σε άκρο (end-to-end) Οι παράγοντες που ενδιαφέρουν το QoS, ιδιαίτερα σε real-time streaming εφαρμογές ήχου και εικόνας, είναι οι ακόλουθοι: 15

16 End-to-end delay Η καθυστέρηση από άκρο σε άκρο (end-to-end delay) αναφέρεται στο συνολικό χρόνο που κάνει ένα πακέτο από τη στιγμή της αποστολής του μέχρι τη στιγμή της άφιξής του στο δέκτη. Το ζήτημα της επιτρεπόμενης end-to-end καθυστέρησης για εφαρμογές real-time audio streaming περιγράφηκε στην παράγραφο 1.5. Jitter Το λεγόμενο jitter είναι ένας παράγοντας που η ύπαρξή του μπορεί να προκαλέσει σοβαρή υποβάθμιση της ποιότητας του μεταφερόμενου real-time streaming ήχου. Σε ένα δίκτυο, τα πακέτα από την πηγή ενδέχεται να φτάνουν στον αποδέκτη με διαφορετική end-to-end καθυστέρηση το ένα από το άλλο. Η τυπική απόκλιση αυτής της καθυστέρησης είναι το επονομαζόμενο jitter. Προκειμένου η ποιότητα του ήχου να είναι ικανοποιητική, η τιμή του jitter πρέπει να είναι το πολύ μέσα στο διάστημα των 2 με 5 ms, δηλαδή το endto-end delay για το κάθε πακέτο να μην είναι πολύ μεγάλο, διότι διαφορετικά ο μεταδιδόμενος ήχος δεν θα είναι εύκολα καταληπτός. Ο λόγος που πακέτα του ιδίου stream μπορεί να υφίστανται διαφορετική καθυστέρηση είναι για παράδειγμα το ότι μπορεί να μην περνάνε από το ίδιο «μονοπάτι» του δικτύου, να συναντούν τους routers και το κανάλι γενικότερα σε διαφορετική κατάσταση κυκλοφοριακής συμφόρησης κλπ. Παράδοση χωρίς ορθή σειρά Σαν επέκταση του ζητήματος του jitter, ένας μηχανισμός QoS πρέπει να εξασφαλίζει ότι τα πακέτα παραλαμβάνονται από τον τελικό δέκτη στη σωστή τους σειρά. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, ακόμη και πακέτα που ανήκουν στην ίδια ομάδα πακέτων μπορούν να φτάνουν στο δέκτη με διαφορετική σειρά από εκείνη με την οποία στάλθηκαν αρχικά, εξαιτίας του ποικίλου delay που υφίστανται καθώς διέρχονται από το δίκτυο. Είναι λοιπόν απαραίτητο ένας μηχανισμός QoS να περιλαμβάνει τα κατάλληλα πρωτόκολλα, έτσι ώστε να επανατοποθετεί τα πακέτα στην σωστή τους σειρά καθώς αυτά παραλαμβάνονται από το δέκτη. Μάλιστα, ειδικά στην περίπτωση του audio streaming που μας ενδιαφέρει, η επανατοποθέτηση αυτή πρέπει να γίνεται με ισόχρονο τρόπο, έτσι ώστε να εξομαλύνεται ταυτόχρονα και το jitter το οποίο υποβαθμίζει την ποιότητα του λαμβανόμενου ήχου. Υπάρχουν περιπτώσεις εφαρμογών όπου ένα μικρό ποσοστό απώλειας πακέτων είναι προτιμότερο από την ύπαρξη μηχανισμού επανεκπομπής πακέτων που θα προκαλούσε συμφόρηση στο δίκτυο κι επομένως, ακόμη περισσότερες απώλειες και καθυστερήσεις. 16

17 Απώλειες πακέτων Υπάρχουν επίσης περιπτώσεις όπου τα πακέτα υφίστανται καταστροφή των δεδομένων τους, αποστέλλονται σε λάθος μέρος, απορρίπτονται διότι έχουν ξεπεράσει το επιτρεπόμενο όριο καθυστέρησης κλπ, οπότε υπάρχουν απώλειες σε πληροφορία. Αυτές οι απώλειες πρέπει να εντοπιστούν από το δέκτη και με κατάλληλη συνεργασία αποστολέα-δέκτη να γίνει η επανεκπομπή των πακέτων, εάν αυτό βέβαια κρίνεται αναγκαίο και αποδοτικό. Σε real-time streaming εφαρμογές, απώλεια πακέτων σημαίνει διαλείψεις στον ήχο και έλλειψη ομαλότητας στην εικόνα. Ένας γενικός κανόνας είναι οι απώλειες πακέτων να κυμαίνονται περίπου στο 3-5%. Καθυστέρηση μεταξύ των ροών Στην περίπτωση που έχουμε μετάδοση real-time video, ένα άλλο ζήτημα που έχει μεγάλη σημασία είναι η σχετική καθυστέρηση που υπάρχει ανάμεσα στη μετάδοση της φωνής και της εικόνας. Η εικόνα και η φωνή αποτελούν δύο διαφορετικά stream δεδομένων, με διαφορετικό τρόπο πακετοποίησης, διαφορετικές ενδεχομένως διαδρομές κίνησης στο δίκτυο κλπ, οπότε η ύπαρξη σχετικής καθυστέρησής ανάμεσά τους είναι πολύ πιθανή. Χονδρικά, ο ήχος δεν πρέπει να έπεται της εικόνας περισσότερο από 4 ms περίπου, ούτε να προηγείται περισσότερο από 3 ms, διότι από εκείνο το σημείο αρχίζει να γίνεται αντιληπτή η διαφορά στον άνθρωπο και η ποιότητα της πληροφορίας υποβαθμίζεται. Oι εγγυήσεις για QoS θα πρέπει να παρέχονται από ξεχωριστά πρωτόκολλα, καθώς τα πρωτόκολλα εφαρμογών όπως το VoIP δεν παρέχουν εγγυήσεις ποιότητας της υπηρεσίας. Επομένως, η ύπαρξη μηχανισμών QoS είναι υπόθεση του ίδιου του δικτύου και των διαχειριστών του και παρέχεται σε συνεργασία με τις αντίστοιχες εφαρμογές που απαιτούν QoS. Γενικά, οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται από το QoS μπορούν να μετριάσουν αρκετά προβλήματα συμφόρησης, αλλά σε περιπτώσεις υπερβολικού φόρτου του δικτύου, όπου το εύρος ζώνης που διατίθεται αποδεικνύεται ανεπαρκές, το QoS δεν μπορεί να βοηθήσει σημαντικά. Με άλλα λόγια, το QoS δεν αποτελεί τη λύση σε όλα τα προβλήματα του δικτύου και έχει τα επιθυμητά αποτελέσματα μόνο σε δίκτυα τα οποία έχουν σχεδιαστεί μετά από εμπεριστατωμένη μελέτη Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες (Differentiated Services - DiffServ) Δύο μοντέλα που ορίστηκαν από την IETF (Internet Engineering Task Force) για να ρυθμίζουν τις απαιτήσεις QoS σε ένα δίκτυο τύπου IP είναι πρώτον, οι ενοποιημένες υπηρεσίες (Integrated Services IntServ) και δεύτερον, οι 17

18 διαφοροποιημένες υπηρεσίες (DiffServ). Στο IntServ οι τελικοί δέκτες πληροφορούν με σήματα το δίκτυο το ποιες είναι οι απαιτήσεις τους σε QoS. Στο Diffserv τα στοιχεία του δικτύου «σετάρονται» κατάλληλα, έτσι ώστε να μπορούν να υποστηρίξουν τις διάφορες ροές δεδομένων που έχουν διαφορετικές απαιτήσεις σε QoS. Η χρήση του μηχανισμού IntServ δεν έχει επικρατήσει ωστόσο. Θα επικεντρωθούμε στην περιγραφή του DiffServ, το οποίο έχει καθιερωθεί ως μηχανισμός για την απόδοση του QoS στα δίκτυα επικοινωνιών. Οι Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες (Differentiated Services - DiffServ) χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα δίκτυα IP ως ένας μηχανισμός -ή καλύτερα ως μία αρχιτεκτονική δικτύων υπολογιστών- που μπορεί να παρέχει εγγυήσεις QoS στα διάφορα δεδομένα που διακινούνται μέσω αυτών των δικτύων. Οι DiffServ έχουν το χαρακτηριστικό ότι είναι σχετικά απλός και «χονδρικός» μηχανισμός (coarse-grained) και επιπλέον έχουν το γνώρισμα της επεκτασιμότητας. Οι DiffServ διαχωρίζουν τα διάφορα δεδομένα που διακινούνται, σε κατηγορίες με διαφορετικές απαιτήσεις και φροντίζουν για την ικανοποίηση αυτών των απαιτήσεων. Για παράδειγμα, υπηρεσίες όπως το , η απλή περιήγηση σε ιστοσελίδες κλπ, γίνονται ικανοποιητικά με μία απλή best-effort διακίνηση της πληροφορίας. Για τις εφαρμογές που έχουν περισσότερες «ανάγκες», οι DiffServ εξασφαλίζουν ότι θα ικανοποιούνται οι απαιτήσεις τους σε χαρακτηριστικά όπως το εύρος ζώνης, η καθυστέρηση, jitter καθυστέρησης κλπ. Εφαρμογές που οι υπηρεσίες τύπου best effort δεν επαρκούν, αλλά χρειάζονται και εγγυήσεις τύπου Quality of Service, είναι για παράδειγμα το streaming video, το Voice over IP (VoIP), IP-TV, εφαρμογές ηλεκτρονικού εμπορίου κλπ. Το VoIP συγκεκριμένα απαιτεί πολύ χαμηλό delay jitter, έχει απαίτηση για συνολική καθυστέρηση μέχρι την επιτυχή μετάδοση ενός πακέτου περίπου τα 15millisecond και απαίτηση για εγγυημένο bandwidth μεταξύ 8 και 64 kbps. Μία άλλη εφαρμογή για την οποία επίσης το best effort δεν επαρκεί, ωστόσο έχει διαφορετικές απαιτήσεις από τις προηγούμενες που αναφέρθηκαν, είναι και η μεταφορά αρχείων με βάση το πρωτόκολλο του FTP. Μπορεί μεν να μην επηρεάζεται από το jitter κατά τη μετάδοση των πακέτων, ωστόσο απαιτεί χαμηλό ποσοστό απώλειάς τους. Το 1998, η IETF (Internet Engineering Task Force) δημοσίευσε το πρότυπο RFC An Architecture for Differentiated Services (RFC Μία Αρχιτεκτονική για Διαφοροποιημένες Υπηρεσίες). Αυτό το πρότυπο κάλυψε ένα μεγάλο κενό στον χώρο του δημόσιου Internet, καθώς μέχρι τότε η συνύπαρξη υπηρεσιών όπως το , το web surfing κλπ με τις ολοένα επεκτεινόμενες υπηρεσίες του voice και video streaming κλπ, ήταν προβληματική και δεν μπορούσε να ικανοποιήσει τις ανάγκες των χρηστών του Διαδικτύου. Οι μηχανισμοί του QoS που εφαρμόζονταν έως τότε ήταν τόσο περίπλοκοι όσο και αναποτελεσματικοί. Σήμερα, οι DiffServ είναι ο κυριότερος μηχανισμός παροχής QoS στο Internet και έχει αντικαταστήσει άλλους μηχανισμούς QoS του τρίτου Επιπέδου. Κατά τον διαχωρισμό των πληροφοριών από το DiffServ σε κλάσεις (Class of Service - CoS), κάθε πακέτο τοποθετείται σε έναν (περιορισμένο) αριθμό κλάσεων. Έτσι, οι router στο διαδίκτυο μπορούν να χειρίζονται διαφορετικά τα 18

19 πακέτα ανάλογα με το σε ποια κλάση ανήκουν, δίνοντας υψηλότερη προτεραιότητα στις κλάσεις πακέτων που το χρειάζονται περισσότερο. Ο διαχωρισμός των πακέτων σε διαφορετικές κλάσεις γίνεται με το να μαρκάρεται το byte του Type of Service (ToS) το οποίο βρίσκεται στην κεφαλίδα IP του πακέτου. Ωστόσο, δεν είναι το ίδιο το DiffServ που αποφασίζει ποιες κλάσεις πληροφοριών έχουν τη μεγαλύτερη προτεραιότητα. Το DiffServ απλά παραχωρεί τις προτεραιότητες όπως αυτές του έχουν δοθεί από τις εφαρμογές που διακινούν τις πληροφορίες και τον διαχειριστή του δικτύου. Βέβαια, το DiffServ μπορεί να προτείνει ένα πρότυπο διαχωρισμό της κίνησης σε κλάσεις, με τις αντίστοιχες προτεραιότητες, κι αυτό γίνεται ώστε να μπορεί να υπάρχει διασυνδεσιμότητα με διάφορα δίκτυα. Αφού τα πακέτα διαχωριστούν στις διάφορες κατηγορίες, εφαρμόζεται στα στοιχεία του δικτύου το λεγόμενο Per-Hop Behavior (PHB). Ο συνδυασμός του διαχωρισμού των πακέτων με το PHB είναι που θα εξασφαλίσει για κάθε πακέτο το απαιτούμενο γι' αυτό bandwidth, μέγιστο επιτρεπόμενο delay, μέγιστο επιτρεπόμενο jitter κλπ και γενικά τις απαιτήσεις QoS για τις διάφορες πληροφορίες που διακινούνται μέσω του δικτύου. Η τηλεπικοινωνιακή κίνηση που περνάει από έναν router και ανήκει στην ίδια κλάση κίνησης είναι γνωστή και με το όνομα Behavior Aggregate (BA - Συνολική Συμπεριφορά) Μάλιστα, μπορεί να χρησιμοποιούνται διάφοροι μηχανισμοί PHB προκειμένου να εξασφαλιστούν απαιτήσεις όπως χαμηλή καθυστέρηση, χαμηλό ποσοστό απώλειας πακέτων κλπ για τις κλάσεις κίνησης. Oι περισσότεροι ISP σήμερα χρησιμοποιούν το DiffServ προκειμένου να απονείμουν στους πελάτες τους το κατάλληλο «μερίδιο» του δικτύου που χρειάζονται για τις εφαρμογές τους, ένας διαμερισμός που γίνεται εκ των προτέρων και φυσικά αντίστοιχα γίνεται η και χρέωση των πελατών. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα της χρήσης του Diffserv από τους ISP είναι ο περιορισμός των πόρων δικτύων που διατίθενται για εφαρμογές peer-to-peer, καθώς αυτές μπορούν να οδηγήσουν εύκολα σε κορεσμό του δικτύου. Κάτι τέτοιο δεν συμφέρει τον ISP, του οποίου το επιχειρησιακό μοντέλο (business model) ορίζει χρήση περίπου του 1-1% των διαθέσιμων πόρων από το μεγαλύτερο τμήμα των clients που είναι συνδεδεμένοι. Με αυτόν τον τρόπο θα υπάρχουν διαθέσιμοι πόροι για πελάτες με μεγαλύτερες απαιτήσεις, με το αντίστοιχο πάντα αντίτιμο προς τον ISP. Στα πλεονεκτήματα του DiffServ κατατάσσεται το γεγονός ότι οι routers δεν απασχολούνται αμιγώς με ζητήματα του QoS και κάνουν κανονικά τη δουλειά του routing. Τα ζητήματα του διαχωρισμού των πακέτων σε κλάσεις κίνησης και απονομή των αντίστοιχων προτεραιοτήτων περιορίζονται εντός του «σύννεφου» του DiffServ. Βέβαια, το DiffServ έχει ορισμένα μειονεκτήματα, στα οποία θα γίνει περιληπτική αναφορά. Δεν μπορεί να υποκαταστήσει εντελώς την ανάγκη για προσθήκη περισσότερου διαθέσιμου εύρους ζώνης, στις περιπτώσεις εκείνες που είναι απαραίτητο για τις διαδικτυακές εφαρμογές. Επίσης, όταν συμβαίνουν απορρίψεις πακέτων ενώ ήδη έχουν δεσμευθεί πόροι για αυτά, οδηγούμαστε σε μείωση της απόδοσης του συστήματος, πόσο μάλλον όταν 19

20 αυτά τα πακέτα θα πρέπει να επανεκπεμφθούν, οδηγώντας σε ακόμη μεγαλύτερη απαίτηση για εύρος ζώνης, ενώ το δίκτυο είναι ήδη κορεσμένο. Κεφάλαιο 2 ο Μοντέλα συστημάτων αναμονής Εισαγωγικά στοιχεία Η θεωρία των συστημάτων αναμονής στα δίκτυα μεταγωγής πληροφορίας παρέχει το μαθηματικό υπόβαθρο για να μπορέσει να γίνει η θεωρητική ανάλυση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης σε αυτά τα συστήματα. Εξετάζει θέματα όπως οι αφίξεις στην ουρά, ο χρόνος παραμονής των δεδομένων στην ουρά και η τελική εξυπηρέτηση ή απόρριψή τους από το σύστημα αναμονής. Χάρη στα μαθηματικά μοντέλα των συστημάτων αναμονής μπορεί να γίνει ο υπολογισμός διάφορων στατιστικών χαρακτηριστικών και αξιοποιώντας αυτά τα αποτελέσματα μπορούμε να επιτύχουμε αποδοτικότερο σχεδιασμό των δικτύων. Τέτοιοι στατιστικοί υπολογισμοί είναι για παράδειγμα ο μέσος χρόνος αναμονής μέχρι την ορθή λήψη ενός πακέτου, η πιθανότητα η ουρά αναμονής να υπερχειλίσει, η πιθανότητα στο σύστημα να μην υπάρχει πακέτο προς αποστολή κλπ. Για την μελέτη της κίνησης στα δίκτυα επικοινωνιών έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορα μαθηματικά πρότυπα. Για παράδειγμα, οι διαδικασίες Poisson και οι ακολουθίες Markov, μοντέλα που έχουν αποδειχθεί αποτελεσματικά, χάρη στην ευκολία της μαθηματικής ανάλυσής τους, αλλά και στο ότι πλησιάζουν αρκετά στην πραγματικότητα. Στo Παράρτημα Ι θα γίνει μία συνοπτική παρουσίαση αυτών των μαθηματικών μοντέλων και θα εξηγηθεί για ποιους λόγους, παρά τα θετικά σημεία τους, δεν επαρκούν για τη μελέτη των συστημάτων αναμονής που ενδιαφέρουν σε αυτήν τη διπλωματική. Έτσι, θα καταφύγουμε σε ένα διαφορετικό μοντέλο αναμονής, γνωστό ως fluid flow approximation (προσομοίωση ροής «ρευστού»), το οποίο διαθέτει επιπλέον πλεονεκτήματα για τη μελέτη των ουρών αναμονής στα δίκτυα μεταγωγής πακέτου, ιδιαίτερα δε για τα ασύρματα δίκτυα που εξυπηρετούν real-time streaming εφαρμογές Στοχαστικές διαδικασίες και στοχαστικά μοντέλα Στο παρόν τμήμα θα περιγραφούν τα μοντέλα αναμονής ρευστού (fluid flow approximation models). Τα μοντέλα αναμονής ρευστού είναι ότι πιο σύγχρονο στη βιβλιογραφία των συστημάτων αναμονής. Η συστηματική μελέτη τους είναι σχετικά πρόσφατη και πολλά υποσχόμενη για την ανάπτυξη αποτελεσματικότερων μοντέλων αναμονής. Στο παράρτημα Ι γίνεται όπως είπαμε μια σύντομη επισκόπηση ορισμένων κλασικών μοντέλων αναμονής, που μέχρι πρότινος τουλάχιστον χρησιμοποιούνταν κατά κόρον. Πρόκειται καταρχάς για τα επονομαζόμενα μοντέλα «ανανέωσης» (renewal traffic models). Έπειτα, θα αναφερθούν ορισμένα στοιχεία για τα συστήματα αναμονής του τύπου Α/Β/Γ/Δ. Τέλος, θα 2

21 δοθεί λίγη περισσότερη έμφαση στις διαδικασίες Poisson διαμορφωμένες κατά Markov (Markov modulated Poisson Processes). Όλα τα προαναφερθέντα μοντέλα υιοθετούν μία διακριτού χρόνου περιγραφή της κίνησης, με τον χρόνο να είναι διαχωρισμένο σε time slots. Αντιθέτως, στα σύγχρονα μοντέλα του fluid flow approximation που θα μας απασχολήσουν σε αυτή διπλωματική, η περιγραφή της κίνησης δεν νοείται ως διακριτή, αλλά ως μία συνεχής ροή Μοντέλα αναμονής «ρευστού» Περιγραφή της κίνησης με το μοντέλο fluid flow approximation Η κίνηση αποτελείται από μεμονωμένες διακριτές οντότητες, όπως πακέτα, frames, κελιά κλπ. Μία μέθοδος μοντελοποίησης του συστήματος μεταγωγής των μεμονωμένων αυτών οντοτήτων είναι η λεγόμενη προσέγγιση «ρευστού» (fluid flow approximation). Το fluid flow approximation στην ουσία παραβλέπει την διακριτή φύση των εκπεμπόμενων οντοτήτων. Τα fluid queues (ουρές αναμονής «ρευστού») είναι το αντικείμενο αρκετά πρόσφατης μελέτης. Σε αυτά τα μοντέλα, το μήκος της ουράς θεωρείται ως μία ντετερμινιστική, «ρευστή» διαδικασία, αντί για μία τυχαία, διακριτού χρόνου διαδικασία, η οποία μετρά τους αριθμούς των στοιχειωδών μονάδων. Αυτά τα μοντέλα είναι κατά κάποιον τρόπο πιο εύκολα στην ανάλυση, καθώς επιτρέπουν λιγότερη τυχαιότητα από άλλα παραδοσιακά μοντέλα ουρών αναμονής. Επιπλέον, η πιο χονδρική περιγραφή μίας ουράς αναμονής σαν μία ροή ρευστού θεωρείται πως είναι κατάλληλη για πολλές σύγχρονες και σημαντικές εφαρμογές, όπως για παράδειγμα τα δίκτυα ATM (Asynchronous Transfer Mode) και άλλα δίκτυα υψηλής ταχύτητας. Το fluid flow approximation μπορεί να είναι μία ακριβής προσέγγιση αν το μέγεθος των οντοτήτων εκπομπής είναι μικρό συγκρινόμενο με την ταχύτητα της υπηρεσίας, ή, με μία διαφορετική διατύπωση, εάν οι μεμονωμένες μονάδες πληροφορίας είναι εξαιρετικά πολυάριθμες σε σχέση με την επιλεγμένη χρονική κλίμακα. Μπορεί να δώσει απαντήσεις σε ζητήματα σταθερότητας του συστήματος αναμονής, καθυστέρησης στη μετάδοση πακέτων, αλλά δεν μπορεί να δώσει πληροφορίες για βραχυπρόθεσμες μεταβολές του συστήματος. Αυτό που εξετάζεται σε αυτά τα μοντέλα είναι η ροή εισόδου πληροφορίας στο σύστημα και η ροή εξόδου. Οι ουρές δεδομένων στο δίκτυο (network queues) συμπεριφέρονται σαν ένα ρεζερβουάρ νερού, που τροφοδοτείται από διάφορες πηγές νερού, με χρονικά μεταβαλλόμενες παροχές ή όχι και αδειάζει μέσω μίας καταβόθρας (sink) με κάποιο ρυθμό εξόδου. 21

22 Εικόνα 2.2 : Προσομοίωση «ρευστού» (fluid flow approximation) Στο fluid flow approximation η πληροφορία δε γίνεται αντιληπτή ως μεμονωμένα πακέτα τα οποία αριθμούμε. Οι μεταβολές της πληροφορίας περιγράφονται με όρους όπως η στιγμιαία ροή εισόδου πληροφορίας στο σύστημα, η στιγμιαία ροή εξόδου και η διαφορά τους ως η στιγμιαία ποσότητα πληροφορίας στο σύστημα. Για να γίνει ακόμη πιο αντιληπτό αυτό, γίνεται μια αναλογία με το παράδειγμα της εικόνας 2.1. Στην παραπάνω εικόνα το κεντρικό δοχείο αντιπροσωπεύει τον buffer και το ύψος του υγρού στο δοχείο το μήκος της ουράς αναμονής στον buffer. Η είσοδος μπορεί να μεταφέρει πληροφορία από διαφορετικές πηγές, αυτό που μας ενδιαφέρει όμως είναι η συνολική «παροχή» στην είσοδο. Ομοίως για την έξοδο, το μετρούμενο μέγεθος είναι ο ρυθμός εξόδου από τον buffer. Σε ένα τέτοιο σύστημα, μπορεί να υπάρχουν διάφορες παραλλαγές. Για παράδειγμα, έχει ενδιαφέρον να εξεταστεί τι συμβαίνει με την ποσότητα στο «δοχείο» σε περίπτωση που αυτό αδειάζει με σταθερό ρυθμό, ή έχει δύο ρυθμούς με τους οποίους αδειάζει ανάλογα με την κατάσταση του καναλιού κλπ. Η επίδοση του συστήματος σε αυτό το μοντέλο μετριέται κυρίως από την πιθανότητα σε κατάσταση ισορροπίας ο buffer να ξεπερνά ένα ανώτερο όριο Markov-modulated fluid processes Τα μοντέλα fluid flow τα οποία εξετάζονται στην παρούσα διπλωματική ανήκουν στην κατηγορία των Markov-modulated fluid flow (μοντέλα «ρευστού» διαμορφωμένα κατά Markov). Τα μοντέλα ουράς αναμονής διαμορφωμένα κατά Markov (Markov modulated fluid models - MMFP) χρησιμοποιούνται ευρέως για μοντελοποίηση στις τηλεπικοινωνίες και τα συστήματα υπολογιστών. Με τα MMFF μοντέλα έχουν ασχοληθεί εκτεταμένα οι Annick, Mitra, Sohndi. Η εργασία τους στο [3] περιγράφει αναλυτικά το μοντέλο και περιλαμβάνει σχετικά γρήγορους και ακριβείς υπολογισμούς διαφόρων μεγεθών. Αυτό δεν θα ήταν δυνατό με μια ακριβή λύση του μαθηματικού μοντέλου, καθώς αυτή περιλαμβάνει πολλούς και κοπιώδεις υπολογισμούς. Πολλές μελέτες που ακολούθησαν πάνω στο θέμα μπορούν να θεωρηθούν ως επεκτάσεις/γενικεύσεις αυτής της εργασίας, για αυτό και το μοντέλο πολλές φορές αναφέρεται και ως AMS (Annick, Mitra, Sohndi) μοντέλο. 22

23 Η Μarkovian εκδοχή είναι η πλέον κατάλληλη για να περιγράψει την απρόβλεπτη φύση των ασυρμάτων συστημάτων που μας απασχολούν στη διπλωματική. Το πλεονέκτημα των Markov-modulated fluid flow συστημάτων είναι ότι έχουν μνήμη και μπορούν να περιγράψουν θέματα συσχέτισης της πληροφορίας, τα οποία παίζουν μεγάλο ρόλο στον υπολογισμό της απόδοσης του συστήματος. Η πηγή, ή ακριβέστερα ο ρυθμός αύξησης πληροφορίας (πακέτων) στο σύστημα, μοντελοποιείται ως μία Μαρκοβιανή αλυσίδα συνεχούς χρόνου X t. Έτσι έχουμε ότι α(t)=a i, για X t =i. Ομοίως, ο ρυθμός εξυπηρέτησης πακέτων s(t) είναι συνάρτηση μιας Μαρκοβιανής αλυσίδας συνεχούς χρόνου, έστω Y t, και έχουμε ότι s(t)=s j, για Y t =j. Μία χαρακτηριστική περίπτωση σχετικά με το ρυθμό εξυπηρέτησης s(t) είναι αυτή του καναλιού Gilbert-Elliott. Ένα τέτοιο κανάλι έχει δύο καταστάσεις, την ON κατά την οποία το κανάλι μεταφέρει πληροφορία και την OFF, κατά την οποία όχι. Aν η πηγή έχει I καταστάσεις και η διαδικασία εξυπηρέτησης πληροφορίας έχει J καταστάσεις, τότε το συνολικό σύστημα θα είναι και αυτό μία διαμορφωμένη κατά Markov στοχαστική διαδικασία ρευστού. Η Μαρκοβιανή διαδικασία σε αυτήν την περίπτωση θα έχει M=I J καταστάσεις. Ένα σημαντικό μετρητικό στοιχείο που μας ενδιαφέρει είναι η πιθανότητα το περιεχόμενο του buffer να ξεπεράσει ένα ορισμένο κατώφλι. Επίσης, μπορεί να βρεθεί η ίδια πιθανότητα για την περίπτωση που το κανάλι διεκπεραιώνει την τηλεπικοινωνιακή κίνηση με σταθερό ρυθμό και η είσοδος δεδομένων είναι μία στοχαστική διαδικασία. Χρήσιμος είναι και ο υπολογισμός του effective bandwidth του καναλιού, το οποίο ορίζεται ως το ελάχιστο διαθέσιμο bandwidth από το κανάλι, έτσι ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις του QoS. Μπορεί επίσης να υπολογιστεί η πιθανότητα ο χρόνος αναμονής ενός πακέτου στον buffer να ξεπεράσει ένα ορισμένο κατώφλι αν το σύστημα έχει σταθερό ρυθμό εισόδου δεδομένων και η έξοδος δεδομένων από το σύστημα είναι μια στοχαστική διαδικασία. 2.3 Το προς μελέτη ασύρματο σύστημα μεταγωγής πακέτων Οι ιδιότητες των ασυρμάτων δικτύων και η ευελιξία και ευκολία που παρέχουν τα έχουν κάνει εξαιρετικά δημοφιλή στις σύγχρονες εφαρμογές. Εικόνα : Ασύρματες συσκευές που επικοινωνούν με σταθμό βάσης 23

24 Το σημείο ενδιαφέροντος για τη μελέτη μας είναι ο σύνδεσμος (κανάλι) μεταξύ μίας ή περισσότερων ασυρμάτων συσκευών (π.χ. laptop, PDA s κλπ) και ενός σταθμού βάσης. Σε αυτό το σύστημα τα κύρια σημεία προς μελέτη είναι καταρχάς το stream δεδομένων από τις πηγές προς τον δέκτη. Θεωρείται ότι τα stream τους μεταφέρονται ως ένα κοινό stream. Έπειτα, υπάρχει ένας buffer από όπου διέρχονται τα δεδομένα από τις προαναφερθείσες πηγές προτού περάσουν στο κανάλι επικοινωνίας. Ο buffer αυτός σε πραγματικές εφαρμογές έχει πεπερασμένο μέγεθος και το μήκος του έχει μεγάλη επίδραση στην απόδοση του συστήματος και στην επίτευξη των απαιτήσεων QoS. Το τρίτο κύριο σημείο είναι η μεταφορά των δεδομένων από τον buffer στον δέκτη δια μέσου του καναλιού, με άλλα λόγια η τηλεπικοινωνιακή υπηρεσία που προσφέρεται στο δέκτη. Από τη μελέτη αυτή του γενικού μοντέλου αναμονής μίας single-server queue που εξυπηρετεί ασύρματες συσκευές μπορεί να μελετηθεί η απόδοση τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, κάτω από αυστηρές απαιτήσεις αναμονής. Έτσι θα μπορέσει να εξηγηθεί και η σχέση ανάμεσα στην κατανομή πόρων στο φυσικό επίπεδο και τις απαιτήσεις ποιότητας (QoS). Σχήμα : Το γενικό μοντέλο του συστήματος αναμονής 2.4 Ανάλυση του συστήματος με βάση το μοντέλο Markovmodulated fluid flow approximation Γενικά Όπως έχουμε πει, οι ιδιότητες των ασυρμάτων δικτύων τα έχουν κάνει εξαιρετικά δημοφιλή, ιδιαίτερα για εφαρμογές real-time streaming. Ωστόσο, λόγω της ιδιαίτερης και ασταθούς φύσης τους πρέπει να υπάρχουν μηχανισμοί που να κατανέμουν όσο το δυνατόν καλύτερα το διαθέσιμο bandwidth στους clients των ασυρμάτων δικτύων, έτσι ώστε να μπορούν να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις των τελευταίων σε QoS. Τα τελευταία χρόνια γίνονται πολλές προσπάθειες για την καλύτερη σχεδίαση των ασυρμάτων δικτύων. Στα ενσύρματα δίκτυα το ζήτημα της ποιότητας των υπηρεσιών έχει εξεταστεί εκτενώς. Στα ασύρματα δίκτυα αυτές οι μελέτες είναι σχετικά πρόσφατες και λόγω της ιδιαίτερης φύσης των ασυρμάτων δικτύων πρέπει να γίνει ακόμη αρκετή έρευνα μέχρι να οδηγηθούμε σε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Το γεγονός ότι τα ασύρματα 24

25 δίκτυα είναι ασταθή και το διαθέσιμο εύρος ζώνης τους μεταβαλλόμενο εξαιτίας εξωτερικών παραγόντων, σημαίνει ότι τα στατιστικά χαρακτηριστικά όπως το μέγεθος της ουράς αναμονής κλπ, είναι πιο ευμετάβλητα κι έτσι επηρεάζουν περισσότερο την απόδοση του συστήματος. Τα στοιχεία που μελετάμε έτσι ώστε να δούμε κατά πόσο ικανοποιούνται αυτές οι απαιτήσεις είναι για παράδειγμα, η πιθανότητα υπερχείλισης του buffer, το effective bandwidth, το ποσοστό απώλειας πακέτων κλπ. Προκειμένου να υπολογίσουμε αυτές τις σημαντικές παραμέτρους για το σωστότερο σχεδιασμό του δικτύου, κάνουμε μία μοντελοποίηση των διεργασιών με ένα μαθηματικό μοντέλο το οποίο θα αναλυθεί θεωρητικά. Έπειτα, μπορεί να γίνει προσομοίωση του μαθηματικού μοντέλου, έτσι ώστε να δούμε κατά πόσο είναι επαρκές για την περιγραφή των διαδικασιών που συμβαίνουν στο δίκτυο. Ένας αποτελεσματικός τρόπος είναι να μοντελοποιήσουμε την τηλεπικοινωνιακή υπηρεσία που προσφέρεται σε ένα ασύρματο δίκτυο με μία Markov modulated fluid process. Xάρη σε αυτό το μοντέλο, μπορούμε να βρούμε μία κλειστή έκφραση για το ζητούμενο effective bandwidth, το οποίο στη συνέχεια θα μας βοηθήσει να σχεδιάσουμε ένα καλύτερο σύστημα, που είναι το ζητούμενο της μοντελοποίησης που κάνουμε. Αφού διαπιστωθεί μέσω της θεωρητικής ανάλυσης και της προσομοίωσης το πόσο πλήρες είναι το μοντέλο και γίνουν οι τυχόν απαραίτητες βελτιώσεις, θα μπορούμε πλέον να περάσουμε στην υλοποίηση του πραγματικού συστήματος. Στην παρούσα διπλωματική θα γίνει η περιγραφή του μαθηματικού μοντέλου και η προσομοίωση ενός μηχανισμού για την κατανομή του εύρους ζώνης στις διάφορες πηγές που διεκδικούν το ίδιο ασύρματο κανάλι Το ασύρματο κανάλι και η μοντελοποίησή του Το μαθηματικό μοντέλο που θα παρουσιαστεί παρακάτω πάρθηκε από την εργασία [1]. Στην βιβλιογραφία συναντιούνται διάφορες παραλλαγές του βασικού μοντέλου του Markov modulated fluid flow approximation. Αυτές μοντελοποιούν διάφορες περιπτώσεις συστημάτων αναμονής, ανάλογα με το είδος της πηγής, το κανάλι, την εξυπηρέτηση της πληροφορίας, τους πιθανούς μηχανισμούς ελέγχου σφάλματος κλπ. Όλες πάντως στηρίζονται στη βασική θεωρία για τα μοντέλα αναμονής τύπου fluid flow, η οποία αναπτύχθηκε από τον D. Mitra και άλλους [2], [3]. Η εργασία που θα παρουσιαστεί μοντελοποιεί ένα απλό σχετικά σύστημα αναμονής, χωρίς μηχανισμούς ελέγχου σφάλματος. Η συγκεκριμένη επιλέχθηκε γιατί σε αυτήν γίνονται εύκολα κατανοητά ζητήματα του fluid flow approximation. Με τη μαθηματική μοντελοποίηση που υλοποιεί καταλήγει σε συγκεκριμένους τύπους για τον υπολογισμό μεγεθών που είναι χρήσιμα για την αποτελεσματικότερη σχεδίαση του συστήματος αναμονής. Στο Παράρτημα ΙΙ παρουσιάζεται η μοντελοποίηση ενός περιπλοκότερου συστήματος, με ενσωματωμένους μηχανισμούς ελέγχου σφάλματος. Επιπλέον, η εν λόγω εργασία περιλαμβάνει και μία ενδιαφέρουσα 25

26 παραλλαγή των τεχνικών που χρησιμοποιούνται για την μαθηματική επίλυση των εξισώσεων του fluid flow. Συμβολίζουμε το ασύρματο κανάλι με h(t) και θεωρούμε ότι μοντελοποιείται ικανοποιητικά με μία Gaussian διαδικασία μέσης τιμής μηδέν. Ωστόσο, για να είναι πιο απλές οι μαθηματικές εκφράσεις θα γίνουν κάποιες παραδοχές. Έστω ότι η πιθανότητα του h(t) να είναι πάνω ή κάτω από ένα σταθερό κατώφλι μπορεί να μοντελοποιηθεί επαρκώς σαν μία Μαρκοβιανή αλυσίδα συνεχούς χρόνου. Έτσι, η πιθανότητα το h(t) να ξεπεράσει το κατώφλι θεωρείται η ΟΝ κατάσταση, ενώ σε αντίθετη περίπτωση έχουμε την OFF κατάσταση της Μαρκοβιανής αλυσίδας. Αυτή η περίπτωση καναλιού αναφέρεται και ως ένα Gilbert-Elliott μοντέλο καναλιού. Το μοντέλο φαίνεται στην ακόλουθη εικόνα: Σχήμα : Μοντελοποίηση του καναλιού κατά Gilbert-Elliott H πιθανότητα της μετάβασης από την κατάσταση ON στην κατάσταση OFF συμβολίζεται με μ, ενώ η πιθανότητα της μετάβαση από το OFF στο ON συμβολίζεται με λ. Για αυτήν την Μαρκοβιανή αλυσίδα κατασκευάζουμε τον γενετήριο πίνακα λ λ 1 1 λ µ λ Q s = = + (1) µ µ λ µ 1 µ ( λ + µ ) 1 1 Μία διαφορετική μοντελοποίηση που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί είναι να μοντελοποιείται το κανάλι ως ένα Gilbert-Elliott κανάλι δύο καταστάσεων, με αυτές τις καταστάσεις να είναι οι GOOD/BAD (κι όχι ON/OFF όπως προηγουμένως). Στην κατάσταση GOOD το bit error rate ( P eg ) είναι χαμηλό και πολύ χαμηλότερο από ότι στην κατάσταση BAD P eb ( P eg << P eb ). Επίσης, οι χρόνοι παραμονής στην κατάσταση GOOD και BAD είναι εκθετικά κατανεμημένοι, με μέσες τιμές 1/δ και 1/γ αντίστοιχα. Qs 26

27 Σχήμα : Οι δύο καταστάσεις του καναλιού και το αντίστοιχο BER σε αυτές Απόδοση ουράς αναμονής των Markov-modulated διαδικασιών Θα μοντελοποιήσουμε τα ασύρματα τερματικά και τη σχετιζόμενη με αυτά ασύρματη σύνδεση σαν μία ουρά αναμονής ενός μονού εξυπηρετητή δικτύου (single-server queue). Ο δέκτης θα έχει την δυνατότητα να επιβεβαιώνει την ορθή ή μη λήψη πακέτων. Μπορούμε να ενσωματώσουμε έναν απλό μηχανισμό ARQ (Automatic repeat-request) προκειμένου να γίνεται αυτό. Θεωρούμε λοιπόν για την μοντελοποίηση έναν server και μία ουρά αναμονής. Ονομάζουμε a(t) το ρυθμό άφιξης πληροφορίας στο σύστημα (arrival rate) και s(t) το ρυθμό εξυπηρέτησης της πληροφορίας (service rate). Η αθροιστική συνάρτηση άφιξης στο διάστημα [,t] δίνεται από τη σχέση: A[, t] = [ ο, t] α ( τ ) dτ Ομοίως, το μέγεθος της τηλεπικοινωνιακής κίνησης που εξυπηρετείται στο διάστημα [,t] είναι: S[, t] = [ ο, t] s( τ ) dτ Θεωρώντας ότι η ουρά αναμονής αρχικά είναι άδεια, η κατάσταση σε αυτήν μπορεί να δοθεί από την εξίσωση: L t = ( A[, t] S[, t]) inf { A[, τ ] S[, τ ]} ο < τ < t Οι παραπάνω εξισώσεις δίνουν το γενικό πλαίσιο με το οποίο μπορούμε να μετρήσουμε τις επιδόσεις μίας single-server queue, κάτω από συγκεκριμένους περιορισμούς QoS. Η μοντελοποίηση της ουράς αναμονής θα γίνει με μία Markov-modulated fluid process. Έστω Q o γενετήριος πίνακας της διαδικασίας Markov πεπερασμένων καταστάσεων (finite-state), με χώρο καταστάσεων τον {1, 27

28 ,Μ}. Η κατάσταση m σχετίζεται με έναν ρυθμό d m, ο οποίος αναπαριστά τη διαφορά μεταξύ του στιγμιαίου ρυθμού άφιξης και του στιγμιαίου ρυθμού εξυπηρέτησης των δεδομένων. Έτσι, ο ρυθμός αλλαγής στον buffer όταν το σύστημα είναι στην κατάσταση m θα είναι το d m σε περίπτωση που ο buffer δεν είναι άδειος, ενώ σε περίπτωση που ο buffer είναι γεμάτος αυτή η τιμή είναι θα max{, d m }. Εις το εξής θα συμβολίζουμε με D τον διαγώνιο πίνακα diag( d 1,., d m ). Όπως είδαμε, το L t συμβολίζει το μέγεθος της πληροφορίας που βρίσκεται στον buffer (η «στάθμη του υγρού» σε μία fluid process). Έστω ότι με u t συμβολίζουμε την κατάσταση της Μαρκοβιανής αλυσίδας. Τότε, το ( L t, u t ) θα αποτελεί μία διαδικασία Markov συνεχούς κατάστασης (continuous state Markov process). Έστω η πιθανότητα του γεγονότος F( x, m, t) = Pr{ ut = m, Lt x} Με βάση το παραπάνω, η εξίσωση του Chapman-Kolmogorov, που είναι μία σχέση που σχετίζει σε μία στοχαστική διαδικασία τις κοινές κατανομές πιθανοτήτων των διαφορετικών σετ συντεταγμένων, μπορεί να γραφτεί ως: F t = FQ F t D, όπου F=(F(x,1,t),.,F(x,M,t)). Η κατανομή F(x,m) στην κατάσταση ισορροπίας της Μαρκοβιανής διαδικασίας συνεχούς κατάστασης ( L t, u t ), υπόκειται στην έκφραση: F FQ = D (α) t Έπειτα, συμβολίζουμε με w την στάσιμη κατανομή πιθανότητας της Μαρκοβιανής αλυσίδας και ισχύει ότι wq=. Τότε lim x > F ( x, m) = wm. Εφόσον η κατανομή F(x,m) στην κατάσταση ισορροπίας είναι μία υποχρεωτική λύση για τη σχέση (α), τότε θα έχει την ακόλουθη φασματική αναπαράσταση: F k xz ( x, ) = w a i i φ ie (β) i = 1 Τα ζεύγη {( φ i, zi )} είναι τα σταθερά ζευγάρια ιδιοδιανυσμάτων-ιδιοτιμών του προβλήματος ιδιοτιμών: φ Q = zφ D (γ) 28

29 Σε περίπτωση που ο πίνακας Q είναι αντιστρέψιμος, αυτές οι ιδιοτιμές είναι πραγματικοί αριθμοί. Επίσης, υπάρχουν και k αυστηρά αρνητικές ιδιοτιμές (λαμβάνοντας υπόψη την πολλαπλότητα), όπου k = { m : d m > }. Αυτές είναι και οι τιμές που λαμβάνονται υπόψη στην σχέση (β). Προκειμένου να υπολογίσουμε τους συντελεστές a i χρησιμοποιούμε τις οριακές συνθήκες: F (, m) = { m : d > } m Η ζητούμενη κατανομή στην κατάσταση ισορροπίας μπορεί να δοθεί από την μοναδική λύση του παραπάνω προβλήματος οριακών τιμών Ανάλυση ουράς αναμονής των MMFP Στην συγκεκριμένη μαθηματική μοντελοποίηση που θα πραγματοποιηθεί, θα θεωρήσουμε ότι ο ρυθμός εισόδου δεδομένων στον buffer είναι σταθερός, δηλαδή α(t)=α. Ο ρυθμός εξυπηρέτησης της πληροφορίας από το σύστημα είναι s(t), και το s(t) είναι μία διαδικασία κατά Markov. Έτσι, ο γενετήριος πίνακας της Μαρκοβιανής αλυσίδας πεπερασμένων καταστάσεων θα είναι όπως έχουμε δει ο: Q s λ = µ λ µ = 1 1 λ µ λ λ + µ 1 µ ( λ + µ ) 1 1 Ο διαγώνιος πίνακας D που δίνει τον ρυθμό αλλαγής στον buffer θα είναι D = diag( α, α s), όπου το s είναι ο ρυθμός εξυπηρέτησης δεδομένων όταν το ασύρματο κανάλι είναι στην κατάσταση ON. Στην περίπτωση που το κανάλι είναι στην κατάσταση OFF, ο ρυθμός αυτός θα είναι προφανώς μηδενικός, καθώς το κανάλι δεν εξυπηρετεί τηλεπικοινωνιακή κίνηση. Από μαθηματικούς υπολογισμούς προκύπτει ότι το πρόβλημα ιδιοτιμών της σχέσης (γ), φ Q = zφ D, θα έχει δύο ζεύγη τιμών λύσεων: µ λ ( w,) = ((, ),) µ + λ µ + λ α λ + α µ sλ ( φ, z) = (( s α, α ), ) α ( s a) Yπάρει ένας περιορισμός ο οποίος μας εξασφαλίζει το ότι η ουρά αναμονής θα είναι σταθερή και αυτός δίνεται από τη σχέση: a < λ s λ + µ (δ) 29

30 Εφόσον ισχύει η παραπάνω συνθήκη, το «ποσό» της πληροφορίας στον buffer, L t, θα συγκλίνει σε μία τυχαία μεταβλητή L. Χρησιμοποιώντας της οριακή συνθήκη F(,1)= καταλήγουμε στη λύση για την κατάσταση ισορροπίας: µ λ µ α µ α λ + α µ sλ F( x, ) = (, ) (, ) exp( x) µ + λ µ + λ λ + µ s α λ + µ α ( s α ) Χάρη στην παραπάνω πολύ σημαντική κατανομή στην κατάσταση ισορροπίας μπορούμε πλέον να υπολογίσουμε όλα αυτά τα στοιχεία που χρειάζονται για τον καλύτερο σχεδιασμό του συστήματος. Όπως έχει αναφερθεί, τέτοια στοιχεία είναι η πιθανότητα υπερχείλισης του buffer, το effective bandwidth κ.ά. Η πιθανότητα υπερχείλισης του buffer πάνω από ένα κατώφλι x θα δίνεται από τη σχέση Pr{ L > x} = 1 R = (1 e R α < F( x, ),(1,1) > = 2 η κ α Rκ e )exp( α ( R a) s s α η 2 x). µ α λ + α µ sλ exp( µ + λ α ( s α ) x) Το πρόβλημα ιδιοτιμών φ Q = zφ D περιλαμβάνει μόνο μία αρνητική λύση στο σύστημα δύο καταστάσεων που θεωρήσαμε. Κατά συνέπεια, μπορεί να προκύψει ένας πιο εύχρηστος τύπος για το ζήτημα της υπερχείλισης του buffer, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κριτήριο για το σχεδιασμό και είναι η large deviation principle (αρχή ευρείας απόκλισης) που ελέγχει αυτήν την πιθανότητα: log Pr{ L > lim x > x x} = α λ + α µ sλ α ( s α ) = κ α Rκ e α ( R α ) η 3 Ιδιαίτερα χρήσιμος για το σχεδιασμό είναι και ο υπολογισμός του effective capacity, το οποίο ορίζεται σαν ο μέγιστος ρυθμός άφιξης πληροφορίας που το σύστημα μπορεί να υποστηρίξει για δεδομένες απαιτήσεις QoS. Αυτές οι απαιτήσεις εκφράζονται μέσω μίας παραμέτρου θ, που είναι ένας φθίνων εκθετικός όρος. log Pr{ L > x} a( θ ) = sup{ α : lim θ } x > x Η προηγούμενη σχέση σε συνδυασμό με τον περιορισμό της σχέσης (δ) μπορεί να οδηγήσει σε έναν ρητό και εύχρηστο τύπο για τον υπολογισμό της effective capacity σε ένα Gilbert-Elliott κανάλι 3

31 a( θ ) = θ R + κ ( θ R + κ ) 2θ 4θ RΚ e 2 η Πηγές πληροφορίας τύπου ON-OFF Η προηγούμενη μαθηματική ανάλυση μπορεί να επεκταθεί και για την περίπτωση όπου η πηγή πληροφορίας μοντελοποιείται με μία Μαρκοβιανή διαδικασία δύο καταστάσεων. Μία τέτοια θεώρηση είναι εξαιρετικά πετυχημένη για την περίπτωση της φωνής, όπου θα έχουμε δύο καταστάσεις, ομιλία και μη ομιλία. Το μοντέλο είναι πετυχημένο και για την περίπτωση συζητήσεων, καθώς το πιθανότερο είναι ότι οι συνομιλητές μιλάνε μια φορά ο ένας και μια φορά ο άλλος και όχι ταυτόχρονα. Επίσης, υπάρχουν και άλλες περιπτώσεις πηγών πληροφορίας που μπορούν να μοντελοποιηθούν επαρκώς ως ON-OFF πηγές, όπως για παράδειγμα τα στιγμιαία μηνύματα. Έτσι, μία τέτοια πηγή θα έχει ρυθμό άφιξης πληροφορίας στο σύστημα το α(t), όπου α(t) είναι μία Μαρκοβιανή διαδικασία δύο καταστάσεων. Σε περίπτωση που η πηγή είναι OFF, το α ισούται με μηδέν, ενώ σε περίπτωση που είναι ON θεωρούμε ότι α>. Ο γενετήριος πίνακας της Μαρκοβιανής αλυσίδας για την διαδικασία της εισόδου θα είναι ο ακόλουθος: Q a λ = µ α α λ α µ α Για τη μοντελοποίηση κατά Markov της υπηρεσίας μετάδοσης που προσφέρεται από το κανάλι ισχύουν τα όσα αναφέρθηκαν και προηγουμένως, λ λ δηλαδή θα έχουμε τον γενετήριο πίνακα Q s = µ µ Το συνολικό σύστημα που μας ενδιαφέρει, δηλαδή η πηγή και η διεκπεραίωση της πληροφορίας της πηγής, θα είναι και αυτό μία στοχαστική διαδικασία «ρευστού», διαμορφωμένη από μία Μαρκοβιανή αλυσίδα τεσσάρων καταστάσεων. Ο γενετήριος πίνακας του συνολικού συστήματος θα δίνεται από τη σχέση Q = Qs I + I Q a, όπου με συμβολίζεται το γινόμενο Kronecker μεταξύ δύο πινάκων. Κάνοντας τις πράξεις βρίσκουμε ότι ο πίνακας Q δίνεται από τη σχέση: 31

32 = µ µ λ λ µ µ λ λ µ λ µ λ µ µ λ λ α α α α α α α α Q Ο πίνακας D που όπως είδαμε δίνει το ρυθμό αλλαγής στον buffer, υπολογίζεται από τη σχέση: E I se D Ι + = α, όπου α είναι ο ρυθμός άφιξης πληροφορίας στο σύστημα, s είναι ο ρυθμός διεκπεραίωσης πληροφορίας από το κανάλι, I ο μοναδιαίος πίνακας και Ε ο πίνακας Ε= 1. Για να είναι ευσταθές το σύστημα πρέπει να ικανοποιείται η ακόλουθη συνθήκη s µ λ λ α µ λ λ α α α + < + Κεφάλαιο 3 ο - Προγραμματιστικό μέρος -Ανάλυση πειραμάτων Εισαγωγικά στοιχεία 32

33 Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται το προγραμματιστικό κομμάτι της διπλωματικής, καθώς και τα διάφορα πειράματα που έγιναν μαζί με την ανάλυση των αποτελεσμάτων από αυτά. Ο στόχος του κώδικα που αναπτύχθηκε είναι η προσομοίωση της λειτουργίας ενός καναλιού στο οποίο προσπαθούν να εκπέμψουν ταυτόχρονα πολλές πηγές οι οποίες έχουν υψηλές απαιτήσεις σε εύρος ζώνης σε σχέση με τις δυνατότητες του καναλιού. Έτσι, αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος κατανομής των πηγών στο κανάλι με τυχαίο τρόπο, καθώς και μηχανισμοί για την αποθήκευση και επανεκπομπή καθυστερημένων πακέτων. Επίσης, παρουσιάζονται και οι διάφοροι βοηθητικοί κώδικες που χρειάστηκε να φτιαχτούν, όπως κώδικας για ηχογράφηση, την αναπαραγωγή αρχείων ήχου κλπ. Τέλος, παρουσιάζονται οι στατιστικές μετρήσεις που έγιναν κατά την εκτέλεση των πειραμάτων, οι οποίες δίνουν βασικά μετρητικά χαρακτηριστικά με τα οποία μπορούμε να δούμε την απόδοση του συστήματος κάτω από διαφορετικές απαιτήσεις. Χάρη σε αυτήν την προσομοίωση μπορούμε να εξάγουμε σημαντικά συμπεράσματα για το ποιες πρέπει να είναι οι παράμετροι σχεδίασης ενός πραγματικού συστήματος αναμονής. Όλοι οι κώδικες μπορούν να βρεθούν στο cd της διπλωματικής στον φάκελο Codes. Το βασικό αρχείο που ηχογραφήθηκε και με το οποίο δουλεύουμε στα πειράματα είναι το 16bit.wav και μπορεί να βρεθεί στον φάκελο Audio Files στο cd της διπλωματικής. Στον ίδιο φάκελο βρίσκονται και τα υπόλοιπα αρχεία ήχου που προκύπτουν από τα διάφορα πειράματα Ηχογράφηση ήχου Στα πλαίσια της ανάπτυξης του μηχανισμού προσομοίωσης χρειάστηκε καταρχάς να φτιαχτούν αλγόριθμοι για την ηχογράφηση και την αναπαραγωγή ήχου. Αυτό έγινε δυνατό χάρη στη χρήση του πακέτου javax.sound.sampled της Java. H ηχογράφηση επιλέχθηκε να γίνει με ρυθμό δειγματοληψίας 8 Hz, ενώ για τον αριθμό των bits ανά δείγμα έγιναν ηχογραφήσεις τόσο με 8 bits/sample, όσο και με 16 bits/sample. Τελικά επιλέχθηκε η κωδικοποίηση των 16 bits/sample διότι δίνει καλύτερο ποιοτικά αποτέλεσμα και θεωρήθηκε ότι πλησιάζει αρκετά προς το αρχικό αναλογικό σήμα που ηχογραφήθηκε. Μία κωδικοποίηση 16 bits/sample είναι επομένως ικανοποιητική ως βάση. Στη συνέχεια μπορούμε με κατάλληλους μηχανισμούς κωδικοποίησης και συμπίεσης ήχου να προσαρμόσουμε το bit rate της πηγής ανάλογα με τις στιγμιαίες συνθήκες κυκλοφοριακής συμφόρησης του συστήματος. Επειδή στην παρούσα προσομοίωση μελετήθηκε κυρίως το ζήτημα της κατανομής του bandwidth του καναλιού μετάδοσης στις διάφορες πηγές και όχι θέματα συμπίεσης και προσαρμογής του bit rate, σε όλη την προσομοίωση τα bits/sample θα διατηρούνται σταθερά και θα είναι όσα και κατά την ηχογράφηση του ήχου. 33

34 Υπάρχουν πολλοί τρόποι για την κωδικοποίηση των δεδομένων ήχου. Για τη συγκεκριμένη εφαρμογή χρησιμοποιήθηκε η απλούστερη μέθοδος όλων, το γραμμικό PCM. Tα αρχεία που δημιουργούνται επιλέχθηκε να έχουν επέκταση.wav. Ο κώδικας της ηχογράφησης Για τη δημιουργία αρχείων αναπτύχθηκε ο κώδικας audiorecorder.java. To πρώτο βήμα είναι να οριστεί ποιο format θα έχουν τα δεδομένα που λαμβάνονται από το μικρόφωνο. Aυτά τα δεδομένα ορίζουν την περιγραφή ενός αντικειμένου του τύπου AudioFormat και είναι: Ο ρυθμός δειγματοληψίας. Για την εφαρμογή όπως ειπώθηκε επιλέχθηκαν τα 8 δείγματα το δευτερόλεπτο. Το μέγεθος το δείγματος σε bits. Όπως προαναφέρθηκε επιλέχθηκε η κωδικοποίηση με 16bits/sample. Αριθμός καναλιών. Δεν έγινε ηχογράφηση με ήχο τύπου stereo, αλλά με ένα κανάλι ήχου μόνο. Προσήμανση. Χρησιμοποιήθηκε προσήμανση κι έτσι η περιγραφή του κάθε δείγματος ήχου περιλαμβάνει και θετικές και αρνητικές τιμές. Endianess. Η αποθήκευση των δεδομένων επιλέχθηκε να γίνεται κατά little-endian. Η επιλογή little-endian σημαίνει ότι το LSB από τα δύο bytes του δείγματος θα αποθηκεύεται στη θέση μνήμης με τη χαμηλότερη διεύθυνση. Αρχικά ορίζεται ένα στιγμιότυπο του αντικείμενου τύπου File και του εκχωρείται το όνομα του καινούργιου αρχείου ήχου, όπου θα αποθηκεύονται τα δεδομένα που ηχογραφήθηκαν. Έπειτα δημιουργείται ένα στιγμιότυπο του AudioFileFormat με τύπο.wav. Δημιουργείται και ένα στιγμιότυπο του αντικειμένου AudioFormat με τα 5 χαρακτηριστικά που αναφέρθηκαν παραπάνω. To αντικείμενο TargetDataLine είναι ένας τύπος του DataLine και από αυτό μπορούν να διαβαστούν τα δεδομένα ήχου. Εν προκειμένω είναι αυτό που παίρνει τα δεδομένα από το μικρόφωνο, με το format που ορίστηκε στο στιγμιότυπο του AudioFormat. H κλάση AudioSystem περιλαμβάνει χρήσιμες μεθόδους για το χειρισμό των δεδομένων ήχου που παραλαμβάνονται από το TargetDataLine. Το στιγμιότυπο του αντικειμένου TargetDataLine με τις μεθόδους της AudioSystem μπορεί να ανοίγει (open), ξεκινά (start) και τελικά να κάνει εγγραφή (write) των δεδομένων από αυτό στο αρχείο που προσδιορίστηκε και με την επέκταση που προσδιορίστηκε προηγουμένως. Η μεταβίβαση των δεδομένων από το TargetDataLine γίνεται μέσω ενός AudioInputStream. Η λήξη της ηχογράφησης γίνεται με τερματισμό της εκτέλεσης του προγράμματος. 34

35 Απόσπασμα από την κλάση audiorecorder.java Αναπαραγωγή αρχείων ήχου Για την αναπαραγωγή αρχείων αναπτύχθηκε ο κώδικας audioplayer.java. Καταρχάς δημιουργείται ένα αντικείμενο τύπου File το οποίο θα δίνει την abstract περιγραφή του ονόματος και του path του αρχείου που θα αναπαραχθεί. File soundfile = new File("16bit_4sec_T.wav"); Δημιουργείται ένα αντικείμενο AudioInputStream το οποίο συνδέεται με το αρχείο και μας δίνει το stream δεδομένων από αυτό. audioinputstream = AudioSystem.getAudioInputStream(soundFile); Έπειτα, με τη μέθοδο getformat στο audioinputstream μπορούμε να πάρουμε το audio format του αρχείου ήχου. audioformat = audioinputstream.getformat(); Στη συνέχεια πρέπει να δημιουργηθεί ένα αντικείμενο τύπου DataLine.Info το οποίο θα περιγράφει το αντικείμενο SourceDataLine που θα χρησιμοποιηθεί για να περάσουν τα δεδομένα ήχου στα ηχεία. DataLine.Info datalineinfo = new DataLine.Info( SourceDataLine.class, audioformat); Τέλος, με τη μέθοδο getline() της κλάσης AudioSystem παίρνουμε ένα αντικείμενο SourceDataLine το οποίο ταιριάζει με την περιγραφή που δόθηκε στο αντικείμενο DataLine.Info. sourcedataline = (SourceDataLine)AudioSystem.getLine(dataLineInfo); 35

36 Η μεταφορά των δεδομένων από το αρχείο στα ηχεία γίνεται με ένα while loop. int cnt= while((cnt = audioinputstream.read(tempbuffer,,tempbuffer.length))!= -1){ if(cnt > ){ } } sourcedataline.write(tempbuffer,, cnt); Η μέθοδος read του AudioInputStream επιστρέφει έναν ακέραιο ο οποίος θα ισούται με το -1 όταν στο stream δεν υπάρχουν άλλα δεδομένα προς αναπαραγωγή (τέλος του αρχείου). Αν η μέθοδος read επιστρέψει θετική τιμή, αυτή η τιμή δίνει τον αριθμό των bytes που διαβάστηκαν από το αρχείο ήχου στον προσωρινό byte buffer με όνομα tempbuffer. Στη συνέχεια, η μέθοδος write του αντικειμένου SourceDataLine μεταφέρει αυτά τα bytes από τον tempbuffer σε έναν εσωτερικό buffer του SourceDataLine και τα δεδομένα αυτά αναπαράγονται από τα ηχεία. Μετά την ολοκλήρωση της αναπαραγωγής του αρχείου, η μέθοδος drain() του SourceDataLine καθαρίζει τυχόν δεδομένα που έχουν παραμείνει στον εσωτερικό buffer και τέλος η μέθοδος close() του SourceDataLine κλείνει τη γραμμή και απελευθερώνει τους πόρους του συστήματος που χρησιμοποιήθηκαν κατά την αναπαραγωγή. Η κατανομή των δειγμάτων φωνής Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται η κατανομή των δειγμάτων φωνής για το αρχείο 16bit.java. 36

37 % Διάγραμμα 3.3 : Κατανομή δειγμάτων φωνής Αξίζει να σχολιαστεί το ότι στην κατανομή υπάρχει ένα σημαντικό ποσοστό δειγμάτων, της τάξης του 3%, τα οποία έχουν μηδενική τιμή. Τα δείγματα αυτά αντιστοιχούν κατά ένα μικρό μέρος στη ίδια την ηχογράφηση. Το μεγαλύτερο ποσοστό τους οφείλεται σε μία επεξεργασία που έγινε σκόπιμα στο αρχείο 16bit.wav που ηχογραφήθηκε αρχικά, έτσι ώστε μετά τα πραγματικά δείγματα να υπάρχουν κάποια δευτερόλεπτα μη ηχογράφησης. Ο λόγος που έγινε αυτό είναι το ότι το αρχείο 16bit.wav θα αποτελέσει όπως θα δούμε στη συνέχεια το υλικό για την κατασκευή άλλων 32 αρχείων, προκειμένου να αποφύγουμε τον κόπο της ηχογράφησης τόσων αρχείων έναένα ξεχωριστά. Τα καινούργια αρχεία θα αντιστοιχούν σε κάθε μια από τις πηγές του συστήματος προς μελέτη. Η ύπαρξη διαστημάτων μη ηχογράφησης σε διαφορετικά σημεία στα νέα αρχεία ήχου έχει σαν αποτέλεσμα να αποτελούν αυτά μία πιο ρεαλιστική προσομοίωση των πηγών ήχου στο σύστημα Η διαδικασία της κατωφλίωσης (thresholding) Στην προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε ένας άτυπος μηχανισμός για την συμπίεση των δεδομένων πριν την «αποστολή» τους από τις πηγές, αυτός του thresholding. Τα πακέτα ήχου που κάθε πηγή αποστέλλει υφίστανται μία επεξεργασία κατά την οποία όσα πακέτα δεν έχουν μέση ενέργεια μεγαλύτερη 37

38 από ένα ορισμένο κατώφλι απορρίπτονται και δεν αποστέλλονται (unvoiced πακέτα). Τα αρχεία ήχου για κάθε πηγή έχουν ηχογραφηθεί εκ των προτέρων και στη συνέχεια επεξεργάζονται με τον αλγόριθμο του thresholding για να δημιουργηθούν τα καινούργια κατωφλιωμένα αρχεία, τα οποία και θα χρησιμοποιηθούν τελικά στην προσομοίωση. Σε μία πραγματική εφαρμογή real time χρόνου, μία τέτοια επεξεργασία των πακέτων θα μπορούσε να γίνει αμέσως μετά τη δημιουργία τους και φυσικά πριν την αποστολή τους. Η επιλογή του καλύτερου κατωφλίου ενέργειας έγινε με υποκειμενικά κριτήρια μετά από αριθμό πειραμάτων. Επιλέχθηκε το κατώφλι εκείνο που μείωνε τόσο το bit rate της πηγής, ώστε να εξασφαλίζεται μια ελάχιστη ποιότητα στον τελικό ήχο και η πληροφορία να μεταδίδεται επαρκώς στο ανθρώπινο αυτί. Σε μία μελλοντική επέκταση, θα μπορούσαν να αναπτυχθούν κάποια περισσότερο αντικειμενικά και ποσοτικά κριτήρια προκειμένου να γίνεται η επιλογή του καταλληλότερου κατωφλίου ενέργειας. Για την υλοποίηση του μηχανισμού της κατωφλίωσης αναπτύχθηκε ο κώδικας thresholding16.java, για αρχεία με κωδικοποίηση 16 bits/sample και ο κώδικας thresholding8.java για αρχεία με κωδικοποίηση 8 bits/sample. Για την κωδικοποίηση των 16 bits/sample με την οποία έγιναν όλα τα πειράματα που θα παρουσιαστούν στη συνέχεια θεωρήθηκε ότι ένα πακέτο έχει μέγεθος 128 bytes, δηλαδή περιλαμβάνει 64 δείγματα. Ο κώδικας της κατωφλίωσης κάνει τα εξής: Αντιγράφει όλα τα byte από το αρχείο σε έναν βοηθητικό buffer. Συγχωνεύει τα δύο byte του κάθε δείγματος σε έναν ακέραιο και τα αποθηκεύει σε κατάλληλο πίνακα, τον intarray[]. Υπολογίζει για κάθε πακέτο τη μέση ενέργειά του με βάση τον τύπο E = 1 log( ε s 2 ( n)), όπου το s (n) 64 n= 1 n = 1,2,.. 64 αποτελεί την ακέραια τιμή καθενός από τα 64 δείγματα του πακέτου που υπολογίστηκαν νωρίτερα και το ε είναι μία ελάχιστη ποσότητα. Οι τιμές αυτές καταχωρούνται στον πίνακα energyarray[]. Έπειτα, γίνεται ένα loop στα στοιχεία του energyarray[] όπου ελέγχεται αν η τιμή της μέσης ενέργειας για το κάθε πακέτο έχει ξεπεράσει το κατώφλι που έχει επιλεγεί ή όχι και καταχωρούνται αντίστοιχα οι τιμές 1 και σε έναν βοηθητικό πίνακα. τον booleanarray[]. Mε βάση τα στοιχεία του booleanarray[] γεμίζει κατάλληλα ένας πίνακας από bytes, ο οποίος θα περιέχει μόνο τα bytes των πακέτων που προκρίθηκαν από την κατωφλίωση. Στη συνέχεια, ο πίνακας newbuffer[] δίνεται ως είσοδος για τη δημιουργία του καινούργιου, κατωφλιωμένου.wav αρχείου. Προκειμένου να επιλεγεί ένα κατάλληλο κατώφλι ενέργειας έγινε η ακόλουθη γραφική παράσταση της κατανομής της μέσης ενέργειας για τα πακέτα του αρχείου 16bit.wav (στην κατανομή αυτή παραλήφθηκαν σκόπιμα 38

39 τα μηδενικά πακέτα, που έχουν ως εκ τούτου αρνητική ενέργεια και η κατανομή αφορά μόνο στα μη μηδενικά πακέτα) % ,4,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 4 Ενέργεια Διάγραμμα : Κατανομή της μέσης ενέργειας πακέτων Από την παραπάνω κατανομή μπορούμε να υπολογίσουμε τις κατάλληλες τιμές κατωφλίων ενέργειας, έτσι ώστε να έχουμε το επιθυμητό ποσοστό απώλειας πακέτων κατά την κατωφλίωση. Επιπλέον, έγιναν πειράματα με διάφορα κατώφλια για τη μέση ενέργεια των πακέτων. Στα καινούργια αρχεία ήχου που δημιουργήθηκαν έγινε μία υποκειμενική αξιολόγηση της ποιότητας του ήχου, έτσι ώστε να επιλεγεί το καταλληλότερο κατώφλι. Όπως φαίνεται και στο γράφημα της κατανομής ενέργειας πακέτων, οι ενέργειες των περισσότερων πακέτων βρίσκονται στο διάστημα (3,4). Τελικά, επιλέχθηκε ως κατώφλι ενέργειας η τιμή 2.4. Για αυτήν την τιμή, η ποιότητα του κατωφλιωμένου αρχείου είναι ικανοποιητική και το μήνυμα που μεταφέρεται καταληπτό, παρά την ύπαρξη μικρών κενών ήχου λόγω των απορρίψεων πακέτων. Το ποσοστό των πακέτων που απορρίπτονται και αντικαθίστανται με μηδενικές τιμές είναι περίπου 7,86% για την τιμή 2.4 του κατωφλίου ενέργειας που επιλέχθηκε. Αυτό το ποσοστό είναι ικανοποιητικό για την άτυπη μέθοδο συμπίεσης ήχου της κατωφλίωσης. Ένα κατώφλι με τιμή 3 θα είχε ως αποτέλεσμα την απόρριψη του 24,29% των πακέτων, ενώ ένα κατώφλι με τιμή 4 θα έκανε unvoiced το 97,11% των πακέτων. Στον φάκελο Audio Files υπάρχουν τα αρχεία 16bit_threshold_2.4.wav, 16bit_threshold_3.wav, 16bit_threshold_4.wav, τα οποία είναι το αποτέλεσμα της εφαρμογής του μηχανισμού της κατωφλίωσης στο αρχικό αρχείο, με κατώφλια ίσα με 2.4, 3 και 4 αντίστοιχα. Σε αυτά τα αρχεία μπορούν να παρατηρηθούν οι διαφορές στην υποβάθμιση στην ποιότητα της φωνής ανάλογα με το κατώφλι. Στη συνέχεια ακολουθούν δύο διαγράμματα με τις τιμές των 15 πρώτων δειγμάτων των αρχείων 16bit.wav και 16bit_threshold_2.4.wav. Στα δύο ενδεικτικά αυτά διαγράμματα των δειγμάτων του αρχικού κι ενός 39

40 κατωφλιωμένου αρχείου δείχνουμε ότι η διαδικασία της κατωφλίωσης απαλλάσσει το καινούργιο αρχείο από τα unvoiced πακέτα και τα αντικαθιστά με μηδενικά πακέτα. Αυτό είναι εμφανές π.χ. στο χρονικό διάστημα (.125,.25) ,125,25,375,5,625,75, t(sec) Διάγραμμα : Τιμές των 15 πρώτων δειγμάτων του αρχικού αρχείου ήχου ,125,25,375,5,625,75, t(sec) Διάγραμμα : Τιμές των 15 πρώτων δειγμάτων του κατωφλιωμένου αρχείου ήχου με κατώφλι ίσο με 2.4 Μία ενδιαφέρουσα επέκταση του μηχανισμού του thresholding θα ήταν αντί να μηδενίζονται οι τιμές των δειγμάτων των πακέτων που δεν προκρίνονται από την κατωφλίωση να προστίθεται στη θέση τους λευκός Gaussian θόρυβος. Ο θόρυβος αυτός θα είχε τυπική απόκλιση της ίδιας τάξης μεγέθους με την τυπική απόκλιση των δειγμάτων του αμέσως προηγούμενου πακέτου. Η προσθήκη τέτοιου θορύβου έχει ως αποτέλεσμα το καινούργιο κατωφλιωμένο αρχείο να έχει περισσότερο ομαλό ηχητικό περιεχόμενο, αντί για τις ενοχλητικές για το αυτί διακοπές ήχου που προκαλεί η αντικατάσταση με μηδενικά πακέτα. 4

41 3.5 - Η κλάση wavgenerator Για τις ανάγκες της προσομοίωσης θα χρειαστεί να μελετηθεί η κατανομή του bandwidth ενός κοινού μέσου μετάδοσης σε 32 ξεχωριστές πηγές, οι οποίες προσπαθούν ταυτόχρονα να εκπέμψουν σε αυτό. Κάθε πηγή θα αντιστοιχεί για την προσομοίωση με ένα αρχείο ήχου.wav. Για να μην ηχογραφηθούν 32 ξεχωριστά αρχεία, πράγμα χρονοβόρο και όχι ιδιαίτερα πρακτικό, αναπτύχθηκε ο κώδικας wavgenerator.java, ο οποίος δημιουργεί 32 αρχεία.wav από ένα αρχικό που του δίδεται, με διαδοχικές μετατοπίσεις των δειγμάτων. Η διαδικασία είναι αρκετά απλή. Αρχικά καταχωρούνται τα bytes του αρχείου σε έναν πίνακα από bytes, τον buffer[]. Για κάθε ένα από τα καινούργια 32 αρχεία που θέλουμε να δημιουργήσουμε, γεμίζει κατάλληλα ο πίνακας bytes newbuffer[] με βάση τα δείγματα του αρχικού αρχείου. Το γέμισμα του newbuffer γίνεται με μία διαδικασία κυκλικής κύλισης προς τα δεξιά κατά έναν αριθμό bytes. Στη συνέχεια, ο newbuffer[] δίδεται ως είσοδος στο ByteArrayInputStream και στο AudioInputStream που γεμίζει κάθε φορά το νέο αρχείο ήχου. Με απλά λόγια, η αρχή του ηχογραφημένου μηνύματος εμφανίζεται σε κάθε νέο αρχείο όλο και πιο καθυστερημένα, ενώ όσα δείγματα περισσεύουν, αρχίζουν να εγγράφονται από την αρχή του νέου αρχείου. Παρακάτω φαίνεται και το αντίστοιχο απόσπασμα κώδικα που υλοποιεί την περιστροφή. Απόσπασμα κώδικα από την κλάση wavgenerator Ένα επιπλέον πλεονέκτημα της περιστροφής είναι ότι δημιουργεί αρχεία με αρκετά ρεαλιστικό πληροφοριακό περιεχόμενο. Με άλλα λόγια, υπάρχει σε κάθε χρονική στιγμή ικανοποιητική ποικιλία σε διαστήματα παύσης/ομιλίας και γενικά συχνοτικού περιεχομένου ανάμεσα στις πηγές ήχου. Στο cd βρίσκονται δύο ενδεικτικά αρχεία που προέκυψαν από τον κώδικα του wavgenerator, τα 16bit_pigi2.wav και 16bit_pigi2.wav. Σε αυτά μπορούμε να παρατηρήσουμε την κυκλική μετατόπιση των δεδομένων ήχου που πραγματοποιήθηκε για τη δημιουργία των νέων αρχείων ήχου. 41