автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Алгоритмы снижения уровня задержек при информационном взаимодействии систем в гетерогенных средах

Введение.

1 Анализ современного состояния теории и практики организации взаимодействия в информационных средах.

1.1 Анализ концептуальных принципов создания гетерогенных систем интегрального обслуживания.

1.2 Классификация служб цифровых систем интегрального обслуживания.

1.3 Особенности построения сетей абонентского доступа («последняя миля»).

1.4 Оценка эффективности способов организации взаимодействия информационных систем в режиме удаленного доступа.

2 Разработка имитационной модели и экспериментальные исследования взаимодействия информационных систем.

2.1 Задача разработки имитационной модели взаимодействия информационных систем в гетерогенных средах.

2.2 Отображение структуры и функций телекоммуникационного узла в имитационной модели.

2.3 Алгоритмы имитации основных процессов.

2.4 Экспериментальные исследования пропускной способности линий удаленного доступа.

2.5 Экспериментальные исследования параметров взаимодействия информационных систем по коммутируемым линиям доступа.

3 Определение оптимального времени задержки за сеанс связи.

3.1 Характеристика объекта исследования.

3.2 Модели трафика для краткого и реального сеанса связи.

3.3 Метод параметрической устойчивой идентификации динамического битового трафика в ЦСИО.

4 Сравнительный анализ влияния коммутационных устройств сети на ее работу .109 4.1 Основные особенности коммутаторов с пространственно - временным разделением.

4.2 Анализ и моделирование работы коммутатора.

4.2.1 Постановка задачи.

4.2.2 Разработка математической модели коммутатора.

4.3 Исследование времени задержки при взаимодействии коммутационных устройств.

В результате активного процесса научно-технического развития в области телекоммуникаций, глобализации информатизации общества в настоящее время формируется единое информационно-телекоммуникационное пространство, усиливается его роль в политической, экономической и оборонной сферах деятельности государств. Кардинальные и глубокие изменения требований пользователей к связи определили новые подходы и взгляды на создание, развитие и совершенствование ведомственных сетей связи, которые в современной терминологии получили название корпоративных.

Сегодня появилось много новых высокоскоростных сетевых технологий -SMDS, N-ISDN B-ISDN и др. Успехи в области средств вычислительной техники, локально вычислительных сетей, использование передающих сред с высокими скоростями передачи и малыми значениями вероятности ошибки, быстрые темпы роста неречевого трафика привели к заметному прогрессу в практике создания новых телекоммуникационных систем на основе коммутации пакетов, предлагая новые технологии, многочисленные модификации быстрой коммутации пакетов, широкополосную пакетную коммутацию.

Широко внедряется в практику конференцсвязь, телефонная почта, электронная почта, поиск информации и т. д. Появляются запросы на новые виды услуг, требующиеся для осуществления широкополосного цифрового канала. Это, прежде всего, черно-белый и цветной видеотелефон, видеоконференцсвязь, цветное факсимиле, видеопочта, поиск видеоинформации, передача в ограниченные сроки больших объемов информации (файлов данных) и т. д. При этом большинство из требуемых услуг являются услугами с комплексным предоставлением информации, которые в рекомендациях «Сектора Стандартизации Международного Союза Электросвязи» (СС МСЭ) определяются как мультимедиа [1].

При общем прогрессе в сфере сетевых технологий заметно отстает научно-технический уровень методов, моделей и средств автоматизации комплексного расчетного обоснования состава оборудования и структурно-сетевого синтеза современных телекоммуникационных сетей. Несмотря на ощутимые достижения в данной области отечественных (В. Г. Лазарев, Г. П. Захаров, И. А. Мизин, В. А. Богатырев, В. К. Попков и др.) и зарубежных ученых (д. Бертсекас, М. Герла, Л. Клейнрок, Р. Весслер, А. Дойч и др.), отсутствуют конструктивные методы расчета сетей с новыми протоколами доступа, доставки информации и управления, критериями и ограничениями, учитывающими, в том числе, особенности цифровых сетей интегрального обслуживания (ЦСИО).

Непрерывное совершенствование сетевых технологий, стадийность жизненного цикла телекоммуникационных сетей, многообразие вариантов построения структуры, необходимость согласования противоречивых интересов администраций телекоммуникационных сетей порождает многообразие задач, которые необходимо решить для проведения расчетов основных параметров корпоративных сетей и их элементов, создаваемых на принципах ЦСИО, использующих ресурсы «Взаимоувязанной сети связи» (ВСС) России как сети общего пользования, и создающих свои собственные сети доступа.

Однако, этому препятствуют нерешенные проблемы методологического, модельного и вычислительного характера, в частности: малоизученность телекоммуникационных сетей с мультисервисным (интегральным) трафиком, отсутствие теоретически обоснованных алгоритмических основ решения задачи расчета пропускной способности цифровых трактов связи и производительности коммутационного оборудования, методики решения общей задачи расчета трафика, генерируемого абонентами выделенной широкополосной цифровой сети, и формирования матрицы взаимного информационного тяготения между объектами сети и т.д. Положение дел усугубляется неопределенностью предпроектной ситуации, заключающейся в основном в отсутствии формализованного перечня исходных данных, трудоемкостью подготовки исходных данных, дефицитом информации о программных реализациях новых методов решения структурно-сетевых задач, их значительным недоиспользованием и большими затратами по перенастройке под новые применения, что отрицательно сказывается на стоимости, качестве и продолжительности разработки проектов телекоммуникационных сетей и принятии структурно-сетевых решений.

В диссертационной работе объектом исследования является реальная гетерогенная телекоммуникационная система, включающая узлы коммутации, комплекс соединительных линий, вторичную сеть абонентского доступа и взаимодействующие информационные системы.

Предметом исследования являются способы организации информационного взаимодействия пользователей в гетерогенных сетях в режиме удаленного доступа и генерируемого абонентами мультисервисного (интегрального) трафика.

Целью данного исследования является совершенствование взаимодействия информационных систем в гетерогенных структурах для повышения их эффективности.

Для достижения данной цели в диссертационной работе предполагается решение следующих исследовательских задач:

1. Дать анализ современного состояния теории и практики взаимодействия информационных систем в гетерогенных средах.

2. Выполнить анализ процесса формирования трафика удаленной системы для генерируемого абонентами мультисервисного трафика при различных видах взаимодействия в гетерогенных сетях.

3. Разработать методику расчета временных затрат по передаче информации в режиме удаленного доступа для произвольных типов и состояний коммутационных узлов и систем передачи.

4. Разработать критерии оценки и количественного анализа взаимодействия информационных систем в гетерогенных средах.

5. Разработать алгоритмы и программное обеспечение для выполнения расчетов на ЭВМ, соответствующие предложенным методикам.

6. Разработать имитационную модель взаимодействия информационных систем в гетерогенных телекоммуникационных сетях.

7. Выполнить экспериментальные исследования на имитационной модели, связанные с оценкой эффективности вариантов организации взаимодействия информационных систем в режиме удаленного доступа.

8. Дать сравнительный анализ экономической эффективности вариантов организации информационного взаимодействия мультисервисных систем в гетерогенных средах для различных их классов.

Методы исследования. Задачи оценки технико-экономических показателей решены с помощью имитационного моделирования. Использовались общематематические подходы к построению модельных блоков. При обработке исходных данных использовались методы теории вероятностей и математической статистики. Для воспроизведения процесса формирования трафика использовались методы сплайн-интерполяции и стохастических моделей. Для сравнения и выбора оптимального варианта использовались методы технико-экономического сравнения.

Научная новизна. Новыми являются следующие результаты работы.

1. Усовершенствована методика имитационного моделирования взаимодействия информационных систем в гетерогенных сетях, учитывающая поток заявок пользователей различных служб на предоставление соединений и потребности в скорости передачи с учетом структурной неоднородности.

2. Сформулированы новые принципы моделирования протоколов взаимодействия и решения структурно-сетевых задач для информационных систем, взаимодействующих в режиме удаленного доступа, что позволило учесть значительные диапазоны изменения характеристик случайных процессов передачи битового трафика.

3. Разработаны критерии оценки и количественного анализа взаимодействия систем с мультисервисным трафиком, на основе которых возможно повысить эффективность решений практических задач организации сетей доступа.

4. Разработаны методика и алгоритмы имитации взаимодействия информационных систем в режиме удаленного доступа в локальной гетерогенной системе, которые могут быть взяты для оптимизации трафика в других локальных системах.

Практическая полезность работы.

1. Методические разработки могут быть использованы для анализа эффективности вариантов организации взаимодействия информационных систем в гетерогенных сетях в режиме удаленного доступа в практике выполнения инженерных расчетов.

2. Имитационная модель взаимодействия информационных систем в гетерогенных сетях в режиме удаленного доступа может быть использована в инженерных расчетах после частичной ее корректировки применительно к конкретным условиям.

3. Результаты расчета задержек в гетерогенной сети для различных служб и приложений по предложенной методике (в целом и по элементам) позволяют выявить критические места и на этой основе разрабатывать организационно-технические, программно-аппаратные и технологические меры по совершенствованию взаимодействия информационных систем.

4. Материалы исследования используются при изучении в ОмГУПС курсов: «Передача данных в цифровых сетях» и «Цифровые сети и системы коммутации».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Отображение структуры локального сегмента гетерогенной сети в имитационной модели.

2. Методика формирования мультисервисного трафика и создаваемая им нагрузка на телекоммуникационный узел.

3. Методика количественной оценки эксплуатационных затрат на организацию взаимодействия информационных систем в режиме удаленного доступа.

4. Алгоритмы и программное обеспечение для выполнения расчетов на

ЭВМ.

6. Результаты работы имеют экономическую эффективность в размерах до 123 тыс. руб. в год на один канал с пропускной способностью 64К.

7. Программный модуль имитации работы телекоммуникационного узла используется компанией ОАО «Омскэлектросвязь» для анализа работы ГАТС с учетом возможного подключения модемных окончаний

Заключение

1. На основании предложенных критериев сделан анализ существующих способов информационного взаимодействия систем в гетерогенных телекоммуникационных структурах и выданы рекомендации по их использованию.

2. Предложен метод расчета формируемого абонентами графика, создающего нагрузку на телекоммуникационный узел.

3. Создана компьютерная модель взаимодействия информационных систем в гетерогенных сетях, с учетом возникновения задержки и джиттера, на основе которой проведены исследования их возникновения.

4. Предложены и апробированы рекомендации по снижению задержки, возникающей в коммутируемых каналах, организуемых на основе цифрового оборудования.

5. Проведены экспериментальные исследования в лабораторных условиях, подтвердившие результаты теоретических исследований задержки, возникающей при взаимодействии информационных систем, и адекватность построенной имитационной модели.

1. Назаров А.Н. О перспективах развития телекоммуникационных систем/ М.: МГУ, Интеллектуальные системы. т. 3. - вып. 1-2.- 1998. - С. 135-145.

2. Булгак В.Б. и др. Основные положения развития Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации на перспективу до 2005 года. Кн. 1. Концептуально-целевые основы развития и общие организационно-технические положения. Минсвязи России, 1996. 246 с.

3. Варакин JI.E. Введение в теорию инфокоммуникаций. Часть 1// Трудь международной академии связи. Приложение к журналу «Электросвязь» -2000.-№2(14).-С. 2-11.

4. Булгак В.Б. и др. Основные положения развития Взаимоувязанной сету связи Российской Федерации на перспективу до 2005 года. Кн. 2. Основные положения развития первичной сети общего пользования. Минсвязи России, 1996.246 С.

5. Безир X., Хойер П., Кеттлер Дж. Цифровая коммутация. М.: Радио и связь, 1984.-264с.

6. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Построение сетей интегрального обслуживания. Л.: Машиностроение, 1990. - 332 с.

7. Боккер П. ISDN. Цифровая сеть с интеграцией служб. Понятия, методы, системы. М.: Радио и связь, 1991. - 304 с.

8. Лохмотко В.В., Пирогов К.И. Анализ и оптимизация цифровых сетей интегрального обслуживания. Мн.: Навука i тэхника, 1991. - 192 с.

9. Захаров ГЛ., Симонов М,В., Яновский Г.Г. Службы и архитектура широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания. М.: Эко-Трендз. Технологии электронных коммуникаций, 1993, т. 41. -102 с.

10. Беллами Дж. Цифровая телефония: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986.-544 с.

11. Рудое Ю.К., Яковлев A.B., Лукинов В.Н. Пути создания оборудования для широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания//С истемы и средства телекоммуникаций. М.: Экое, 1993. - № 2, -С. 12-18.

12. Толмачев Ю.А., Варакин Л.Е., Москвитин В.Д. Перспективы развития Взаимоувязанной сети связи России// Электросвязь. 1995. - № 6. С. 2-6.

13. Захаров ГЛ., Мещеряков С.П., Симонов М.В. Пути внедрения технологии ШЦСИО в России// Электросвязь. 1995. - № 5. - С. 15-17.

14. Захаров ГЛ. Методы исследований сетей передачи данных. М.; Радио и связь, 1982.-208 С.

15. Назаров А.Н., Симонов М.В. ATM: технология высокоскоростных сетей, -М.: Эко-Трендз, 1997. - 232 с.

16. Назаров А.Н. Три модели битового трафика служб в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания/ Труды Международной конференции по информационным сетям и системам ICINAS-96, СПб, 16-19.09.96.-С. 464-467.

17. Гиурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1977. - 480 с.

18. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. -Физматгиз, 1961.-406 с.

19. Кудрявцев Л.Д. Математический анализ. М - Высшая школа, 1973. - т. 1.-614С.

20. Опойцев В.И. Нелинейный закон больших чисел//Автоматика и телемеханика. 1994. - № 4. - С. 65-75.

21. Купер Дж., Макгилем К. Вероятностные методы анализа сигналов и систем. М.: Мир. - 1989. - 376 с.

22. Назаров А.Н. Модели трафика служб с битовой скоростью передачи информации в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания // автоматика и телемеханика.- 1998. № 9. -С.52-63.

23. Назаров А.Н., Разживин И.А., Симонов М.В. ATM: технические решения создания сетей. М.: Горячая линия-Телеком. - 2001. - 246 с.

24. Назаров А.Н. Модели трафика в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания// г. Орел, Сборник научных трудов Военного института правительственной связи ФАПСИ. 1997. - Вып. 7. - С.20-30.

25. Бакланов И.Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях. М.: Эко-Трендз, 1998. - 140 С.

26. Мартынов Ю.М., Крюков A.M. Разгон В.П. Математическое обеспечение сетей передачи данных. М.: Радио и связь, 1986. - 288 с.

27. Вычислительные сети и сетевые протоколы. Пер. с англ. М.: Мир, 1982.-562 С.

28. Слепое H.H. Синхронные цифровые сети SDH. М.: Эко-Трендз, 1997.148с.

29. Григорьев Р.Ф., Елисеев A.M., Назаров А.Н., Шашенков В.Ф. О принципиальных подходах к подключению терминальных систем в состав цифровых сетей интегрального обслуживания//СПб.: Телекоммуникационные технологии. 1993.-Вып. 1.-С. 46-63

30. Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия. СПб.: Издательство «Питер», 2000. - 704 с.

31. Соколов H.A. Сети абонентского доступа. Принципы построения. ЗАО «ИГ «Энтер-профи». - 1999. -254 с.

32. Елисеев A.M., Назаров А.Н., Мещеряков С.П., Симонов М.В. Технология АТМ//СП6.телекоммуникационные технологии. 1995. - Вып.1. - С. 25-37.

33. Григорьев Р.Ф., Назаров А.Н. Анализ основных направлений цифровизации Взаимоувязанной сети связи России: проекты и предложения//Информационные технологии и вычислительные системы. 1996. -Вып.1.-С. 77-94.

34. Першов А.Н. Роль и место ведомственных сетей связи в ВСС России//Мобильные системы. 2000. -№11.- С. 4-5.

35. Кульгин М. Сети передачи данных: управление скоростью//Сети. -1999. № 1-2(75-76). - С. 16-23.

36. ITU-T. Recommendation 1.371. «Traffic Control end Congestion. Control in BISDN». Geneva, 1993.

37. Page E.S. Continuous inspection schemes. Biometrika, 1954, v.41, №2, pp. 100-114.

38. Клигене H., Телькснис JI. Методы обнаружения моментов изменения свойств случайных процессов//Автоматика и телемеханика. 1983. - № 10-С.5-56.

39. Никифоров И.В. Последовательное обнаружение изменения свойств временных рядов. М.: Наука, 1986.

40. Стефанюк А.Р. Об оценивании отношения правдоподобия. -Статистические проблемы управления. Вып. 83, Вильнюс: ИМК АН ЛитССР, 1986.

41. Ширяев А.Н. Статистический последовательный анализ. М.: Наука,1969.

42. Назаров A.H., Карандеев Д.А. Два метода определения момента времени изменения характеристик трафика в сетях с ATM// Электросвязь. 1999.-№ 5.-С. 33-36.

43. Вапник В.Н., Стефанюк А.Р. Непараметрические методы восстановления плотности вероятностей// Автоматика и телемеханика. 1978. - № 8 - С. 38-53.

44. Стефанюк А.Р. Построение модели распределения случайной величины. В сборнике докладов 1-го Северо-моравского симпозиума социалистических стран "Моделирование систем". Опава, ЧССР, май 1987. -С. 64-67.

45. Карандеев Д.А. Восстановление плотности вероятности по эмпирическим данным. Дис. канд. техн. наук. М.: ИПУ РАН, 1998.

46. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. Т.1. -М.:Мир, 1984.-528с.

47. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Учеб. пособие для вузов. 6-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 1998. - 480с.

48. Васильев А.Б., Николенко В.Н., Крастилевская М.А. Широкополосные сети связи на основе технологии ATM. М.: ЦНТИ «Информсвязь», 1996. -104с.

49. Теория телетрафика: Учебник для вузов/Ю.Н. Корнышев, А.П. Пшеничников, А.Д. Харкевич. М.: Радио и связь, 1996. - 272 с.

50. Захаров ГЛ., Яновский Г.Г. Широкополосные цифровые сети интегрального обслуживания/ СПбГУТ. СПб, 1994.

51. Чураков EJI. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Энергоатом-издат, 1987.

52. Булычев Ю.Г. Метод опорных интегральных кривых решения задачи Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений//Журн. вычисл. матем. и матем. физ. 1988. - № 10. - С.1482-1490.

53. Брандин В.Н., Васильев A.A., Худяков С.Т. Основы экспериментальной космической баллистики. М.: Машиностроение, 1974.

54. Булычев Ю.Г. Методы численно-аналитического интегрирования дифференциальных уравнений // Журн. вычисл. матем. и матем.физ. 1991. - №9.-С. 1305-1319.

55. Булычев Ю.Г. Численно-аналитическое интегрирование дифференциальных уравнений с использованием обобщенной интерполяции// Журн. вычисл. матем. и матем. физ. 1994. -Т.34. - № 4. - С.520-532.

56. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений. М.: ГИФМЛ, 1962.

57. Булычев Ю.Г., Манин А.А. Синтез математических моделей динамических систем по экспериментальным данным. ВИНИТИ. рук. Деп. -№2745-В97. - 1997.-24 с.

58. Буяльский А.Л., Шахов В.Г. Организация работы удаленных пользователей корпоративной сети в защищенном режиме// Ведомственные корпоративные сети системы. Connect! 2001. №6.

59. Буяльский А.Л., Шахов В.Г. Выбор структуры информационного пространства с позиции безопасности// Омский научный вестник. /Омский государственный технический университет. Омск, 2002.

60. Буяльский А.Л. Взаимодействие информационных систем в режиме удаленного доступа// Институтский сборник /Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002.

61. Буяльский А.Л. Взаимодействие информационных систем в гетерогенных средах// 9-ая международная научно-практическая конференция молодых ученых. Томск, 2002.

62. Буяльский А. Л. Проблемы организации взаимодействия информационных систем на железнодорожном транспорте в режиме удаленного доступа// Научная конференция аспирантов и студентов посвященная 30-летию академии. Самара, 2003.

63. Буяльский А.Л. Безопасность взаимодействия информационных систем в гетерогенных сетия// Научный вестник Омской академии МВД России/ Омской академии МВД. Омск, 2003.

64. Утверждаю" Директор регионального филиала ОАО «Сибирьтелеком» «Электросвязь» Омской области академик Международной академии информации. В.В; Лрндикрейей « » 2004г.1. АКТо внедрении программного модуля, разработанного Буяльским А.Л.

65. С 2004 года для студентов специализации 210702 проводились следующие виды обучения:- специальный курс «Автоматическая телефонная связь» объемом 64 часа с циклом лабораторных работ в 32 часа и экзаменом в соответствии с образовательным стандартом.