Перспективные телекоммуникационные технологии: является ли пакетная коммутация оптимальным вариантом?

В работе рассматриваются проблемы использования пакетных технологий, возникающие при доминировании в телекоммуникационных сетях «тяжёлого» трафика видеосистем. Показывается, что в этом случае использование протокола TCP/IP является неэффективным. Обсуждается вариант возврата к технологии коммутации каналов. Нынешнее время по праву можно назвать эрой господства в телекоммуникациях пакетной коммутации.Действительно, пакетная коммутация обещает (и действительно, даёт!) много выгод для операторов телекоммуникаций. Первая (и очень важная ) выгода состоит в том, что пакетная коммутация позволяет существенно (в разы!) повысить эффективность использования пропускной способности каналов (трактов). Общеизвестно, например, что при осуществлении телефонного разговора, при использовании коммутации каналов пропускная способность используется лишь наполовину (из-за наличия пауз в разговоре). При передаче данных, которые, как известно, обладают свойством «кучкования», т.е. концентрации передаваемых данных в сравнительно непродолжительные промежутки времени, чередующиеся с «пустотами», эта недоиспользованность пропускной способности составляет ещё большую величину.

В этих условиях использование пакетной коммутации действительно является панацеей. Ведь она позволяет использовать «пустоты» для передачи информации от многих источников и, тем самым, заполнять их. Таким образом, эффективность использования каналов и трактов существенно увеличивается. И это оправдывает многомиллионные вложения в развитие пакетной коммутации.

Однако ситуация может измениться при изменении характера трафика, доминирующего в сетях. Как следует из материалов по разработке рекомендации Y 3010 по будущим сетям [1], в ближайшем будущем пальма первенства от трафика речи и данных прейдет к «тяжелому» трафику видеосистем, в которых передаются изображения в двух направлениях. Особенно это характерно для видеоконференций. В этом случае в обоих направлениях постоянно передаётся трафик видеоизображений, и добавка (или снятие) трафика речи существенно не меняют картину. Для этого случая использование метода пакетной коммутации не только не улучшает ситуации, но и наносит вред, поскольку требует обязательной передачи служебной информации (например, адреса пункта приёма).

Подтвердим сказанное некоторыми расчётами.

Рассмотрим случай передачи с помощью пакетной коммутации (например, с использованием протокола IP) смешанного речевого трафика и трафика данных. При этом будем считать, что при передаче речи время активного использования канала связи составляет 50%, а при передаче данных – 10% (на самом деле может быть и меньше).

Теперь попробуем подсчитать возможный выигрыш в повышении эффективности использования канала связи при замене коммутации каналов на коммутацию пакетов. Учтём при этом следующие обстоятельства:

— при передаче речи длина информационной части пакета не может быть большой с целью предотвращения дополнительных задержек. Поэтому примем её равной Lp = 48 байт (как в технологии ATM [2]);

— при передаче данных длина информационной части пакета практически не ограничивается. Поэтому примем её равной Lд = 1500 байт (как в протоколе IP для Ethernet [3]);

— и при передаче речи, и при передаче данных длина служебной части пакета равна L сл = 20 байт [3].

Отсюда коэффициент эффективности (степень повышения эффективности использования канала) может быть представлен такой элементарный формулой:

Kэф = 2 λp (Lp – Lсл)/ Lp + 10 λд (Lд — Lсл)/ Lд , (1)

где

λp – доля речевого трафика в суммарном трафике;

λд – доля трафика данных в суммарном трафике.

Таблица 1

Как видно из Таблицы 1, коэффициент эффективности при любом соотношении трафиков речи и данных составляет значительную величину. И это является хорошим обоснованием целесообразности применения пакетной коммутации.

Посмотрим, как изменится ситуация при появлении нового «тяжёлого» типа трафика, загружающего канал постоянно, без перерывов. При этом априори ясно, что использование пакетной коммутации только для случая больших потоков информации в обоих направлениях (например, для видеоконференций) заведомо неэффективно.

Потери составят почти 42 % (отношение длины служебной части пакета к информационной). Если же доля трафика видео будет нарастать постепенно, то коэффициент эффективности будет уменьшаться от значений, показанных в таблице 1, до величины Кэф = 0,58 (при 100% видео)

В таблице 2. представлены значения коэффициента эффективности при разных значениях доли видеотрафика (λв = 0,1 / 1,0). При этом соотношение традиционных трафиков речи и данных принято равным 0,1/0,9

Таблица 2

Как видно из таблицы, до тех пор, пока обычный трафик является подавляющим, коммутация пакетов является выгодной. Однако при доминировании видеотрафика использование пакетной коммутации становится абсолютно не эффективным.

Когда же наступит это «светлое» будущее?

Футурологи фирмы CISCO предполагают, что оно уже не за горами [4]. Они прогнозируют, что к 2014 г. доля видео в общем объеме мирового пользовательского трафика превысит 91%.

Трафик, связанный с деловыми видеоконференциями, в это же время возрастёт в 10 раз.

При этом следует отметить, что в видеоконференциях осуществляется передача видео в двух направлениях (от и к пользователю). Следовательно, и трафик увеличивается в обоих направлениях [5].

В этих условиях использование коммутации пакетов может привести к прямым экономическим потерям в результате неэффективного использования пропускной способности каналов и трактов.

Какой же выход из этой ситуации?

Первый вариант выхода проистекает из позиции противников внедрения пакетной коммутации (как тут не вспомнить корифея советской электросвязи В.О. Шварцмана?) Из этой позиции следует, что на сетях связи необходимо вернуться к коммутации каналов, и тогда мы не только не потеряем в экономике, но и выиграем в качестве предоставления услуг [6].

Другой вариант предложен также российскими специалистами А.В. Голышко и К.Г. Князевым [7]. Они считают возможным передачу видеотрафика по виртуальным каналам без сложных процедур коммутации пакетов, а для остального трафика оставить TCP/IP.

Ещё один выдающийся специалист, теперь уже украинский, В.Б. Каток также считает технологию IP не оптимальной и предрекает её замену в будущем [8].

В заключение следует отметить, что все варианты трансформации базовой сетевой технологии, требуют серьезных исследовательских (и не только) усилий. Тем не менее уже сегодня становится ясным- основания для такой трансформации имеются.

Использованная литература

1. ITU—T. Рекомендация Y. 3001.

2. «Технология АТМ» Википедия

3. Протокол межсетевого взаимодействия IP. www.citforum.ru

4. С.Денисов. Чего ждать от информационных и сетевых технологий? Газета «2000», 2010.

5. А.В. Голышко. Перспективы и последствия трансформации сетей в NGN «Вестник связи» №7, 2007.

6. В.О. Шварцман «Выбор технологии передачи и коммутации в мультисервисных сетях на основе оптических кабелей» «Электросвязь», №8, 2003

7. Голышко А.В., Князев К.Г. NGN: российский сегмент «Электросвязь», №12, 2009.

8. В.Б. Каток. Новости с «кухни» МСЭ: сети будущего. «Сети и бизнес». №3, 2011.

Балькин Г.Ф.  ГУИКТ, доцент