автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Исследование и разработка методов адаптивного управления ресурсами сети коммутации пакетов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

Московский технический университет связи и информатики

На правах рукописи

^ с>

С<7 Долгов Константин Александрович

/

< «V

\ УДК 621.391.28

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕСУРСАМИ СЕТИ КОММУТАЦИИ ПАКЕТОВ

Специальность: 05.12.14 - Сети, узлы связи и распределение информации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена на кафедре Вычислительной техники и управляющих систем Московского технического университета связи и информатики

Научный руководитель: -доктор технических наук,

профессор Лазарев Ю.В.

Официальные оппоненты:

-доктор технических наук, профессор Гайкович Ю.В.

кандидат технических наук, доцент Деарт В.Ю.

Ведущая организация: Институт проблем передачи информации РАН.

Защита состоится « ¿?Г» й/Ысл&к^ 1997 г. В [¿^ч. на заседании диссертационного совета К 118.05.02 в Московском техническом университете связи и информатики по адресу 111024, Москва, Авиамоторная ул., д. 8 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского технического университета связи и информатики.

Автореферат разослан « 'М » 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

Демина Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивное развитие народного хозяйства, интеграция нашей страны в мировое сообщество обуславливают резкое увеличение спроса на услуги связи. Рост потребления услуг связи приводит к бурному развитию средств связи всех видов, в том числе и в области передачи данных. Поэтому усовершенствование построения сетей связи и повышение эффективности их использования является очень важным направлением исследований. Наряду с этим, огромное влияние на качество предоставляемых услуг оказывает использование эффективных методов передачи и распределения информации.

Одним из способов повышения качества обслуживания пользователей, эффективности использования каналов связи, а также надежности передачи информации может служить применение методов адаптивного управления. Полученные в последние годы результаты поставили вопрос о практическом использовании методов адаптивного управления в системах связи.

Вопросам использования методов и принципов адаптивного управления для построения различных устройств динамического управления посвящено достаточно большое число работ, в том числе и за рубежом. Однако, в этих работах исследования по эффективности адаптивного управления проводились лишь применительно к распределению информационных потоков в сети связи или применительно к алгоритмам функционирования отдельных компонентов оборудования. Вопросы применения алгоритмов адаптивного управления на уровне линии связи в этих работах не учитывались. Кроме того, как показывает практика, способом улучшения качества обслуживания пользователей при уже имеющейся и развивающейся сети связи является применение методов передачи информации, повышающих использование сетевых ресурсов. Это обусловлено гораздо более высокой стоимостью линейного оборудования, чем оборудования узлов коммутации. Поэтому представляется актуальной разработка методов, позволяющих адаптивно к поступающим нагрузкам распределять пропускную способность цифровых линий связи в сети пакетной коммутации.

Цель работы. Диссертация посвящена исследованию и разработке методов адаптивного управления ресурсами цифровой линии связи. Производится анализ разработанных методов и даются рекомендации по применению каждого предложенного метода.

Для выявления эффективности и целесообразности введения адаптивного управления ресурсами цифровой линии связи в сети пакетной коммутации необходимо решить ряд сложных теоретических и практических задач, из которых в первую очередь необходимо отметить следующие:

1. Разработка методов адаптивного управления ресурсом цифровой линии связи.

2. Анализ оптимальности функционирования разработанных методов адаптивного управления.

3. Разработка процедур расчета и оценки качества обслуживания потока вызовов, поступающего на цифровую линию связи.

4. Разработка алгоритмов расчета времени сходимости предложенных методов адаптивного управления.

5. Определение области эффективного использования адаптивного управления ресурсом цифровой линии связи.

Предмет исследования. Предметом исследования является комплексное рассмотрение вопросов, связанных с оценкой эффективности введения адаптивного управления на цифровой линии связи.

Методы исследования. Для проведения исследований в диссертации использовались теория массового обслуживания, теория принятия решений, теория автоматической коммутации, теория сетей электросвязи, а также использовалось статистическое моделирование.

Научная новизна в первую очередь определяется непосредственно предметом исследования - новым научно-техническим направлением по применению адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи, имеющим важное значение для повышения эффективности использования ресурсов сетей передачи данных с коммутацией пакетов. При этом:

анализ оптимальности функционирования разработанных методов адаптивного управления ресурсами цифровой линии связи показал, что в условиях изменяющихся интенсивностей потоков нагрузок, поступающих на линию связи, данные методы распределяют время передачи информации узлами по линии связи оптимальным образом, т.е. в соответствии с интенсивностями поступающих потоков нагрузок;

разработаны процедуры оценки качества обслуживания поступающих вызовов на цифровой линии связи и алгоритмы расчета времени сходимости, отличающиеся от известных учетом особенностей использования методов адаптивного управления пропускной способностью линии связи;

показано, что применение методов адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи по сравнению с известными методами с постоянным распределением пропускной способности по направлениям перс-дачи информации при любых изменениях распределения по величине интенсивностей потоков нагрузки, поступающих на эту линию связи, не приводит к переполнению входных буферов узлов, если суммарная интенсивность поступающей на линию связи нагрузки не превышает максимальной, которую способна обслужить данная линия связи;

показано, что время сходимости метода адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по линии связи зависит от величины предоставляемого кванта времени и не зависит от максимальной емкости входных буферов, а время сходимости циклического метода адаптивного управления с анализом состояния очередей увеличивается с увеличением емкостей входных буферов;

проведенная сравнительная оценка эффективности функционирования методов адаптивного управления с различными исходными параметрами в условиях изменяющихся интенсивностей потоков нагрузки, которые поступают на цифровую линию связи, показала, что по критерию времени задержки предпочтительнее использование метода адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по линии связи при обшей поступающей нагрузке, ограниченной условием 0,5 < к< 0,95, и применение циклического метода адаптивного управления с анализом состояния очередей при возможных частых перегрузках на линии связи.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Практическая ценность работы заключается в том, что для разработанных методов адаптивного управления получены математические выражения и построены графические зависимости, позволяющие оценить качество обслуживания вызовов при функционировании разработанных методов с различными параметрами, и при различных значениях интенсивностей поступающих нагрузок, разработаны алгоритмы и даны примеры расчета времени сходимости предложенных методов, построены графические зависимости, при помощи которых сделан сравнительный анализ методов по различным критериям.

Предложенные методы адаптивного управления пропускной способностью линии связи, а также процедуры расчета и оценки качества обслуживания поступающих вызовов на цифровую линию связи при адаптивном управлении использованы Генеральным проектировщиком объектов связи РАО «Газпром» ДАО «Гнпрогазцентр» при разработке проекта «Единая ведомственная сеть передачи данных верхнего уровня», а также технических требований на эту сеть. Полученные в диссертации результаты, а именно: методы адаптивного управления ресурсами цифровой линии связи и способы оценки эффективности функционирования и сходимости данных методов использованы в учебном процессе МТУСИ. Кроме того, они могут быть использованы для дальнейших теоретических разработок и для практического анализа эффективности введения адаптивного управления на сетях электросвязи. Реализация результатов работы подтверждена соответствующими актами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные в диссертационной работе методы адаптивного управления, распределяющие пропускную способность цифровой линий связи в зависимости от интенсивности поступающей на нее нагрузки, повышают использование линейного оборудования сети передачи данных с коммутацией пакетов максимально до 40%, при изменяющемся характере распределения поступающей на линию связи нагрузки по направлениям передачи.

2. Предложенная процедура оценки качества обслуживания потока вызовов, поступающего на линию связи, позволяет рассчитать качественные характеристики обслуживания вызовов при заданном распределении нагрузок на цифровой линии связи и адаптивном управлении ее пропускной способно-

стыо и оценить эффективность применения разработанных методов при определенных значениях исходных данных.

3. При помощи предложенных в диссертационной работе алгоритмов расчета времени сходимости методов адаптивного управления определено, что время сходимости метода адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по линии связи растет при увеличении длительности предоставляемого кванта времени, а время сходимости циклического метода адаптивного управления с анализом состояния очередей увеличивается при увеличением емкостей входных буферов.

4. Для проведения исследования методом статистического моделирования и определения областей эффективного использования предложенных методов адаптивного управления в качестве основных критериев выбраны: среднее число ожидающих в буферах узлов пакетов Nq, среднее время, которое пакет ожидает в очереди, W.

Апробация работы. Результаты исследований в рамках данной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: International Informatization Forum III. International Conference on Informatizational Networks and Systems. Proceedings. ICINAS-94, LONIIS, SUT, St. Peterburg. Санкт-Петербург, 1994 г.; XI Белорусская зимняя школа-семинар "Исследование сетей связи и компьютерных сетей методами теории массового обслуживания". Минск, 1995 г.; Международная конференция "100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождение радиотехники." 50-я научная сессия, посвященная дню радио. Москва, 1995 г.; Научно-технический семинар "Информационные сети и системы". Суздаль, 1995 г.; Международный форум информатизации - 95. "Телекоммуникационные и вычислительные системы". Москва, 1995 г.; Международный семинар «Информационные сети, системы и технологии». Ярославль, 1997 г.; а так же на ежегодных научно-технических конференциях МТУСИ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано самостоятельно и в соавторстве 9 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и шести приложений. Работа содержит 148 страниц печатного текста, 36 рисунков, 1 таблицу. Список литературы включает 119 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы исследования, ее научная и практическая ценность, кратко излагается содержание диссертации, выделены положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан краткий анализ принципов построения и условий функционирования как локальных, так и глобальных сетей передачи данных

(ПД) с коммутацией пакетов, предоставляемые ими услуги, а также примеры построения глобальных корпоративных сетей ПД. Определяется совокупность требований, которые необходимо учитывать при построении глобальных сетей передачи данных. Выяснено, что для повышения эффективности передачи в сетях ПД необходимо увеличивать использование линейного оборудования, что связано с более высокими затратами на его установку и эксплуатацию по сравнению с затратами на узлы коммутации (УК).

Анализ сетей ПД с пакетной коммутацией показывает, что часто на таких сетях возникают ситуации, при которых наблюдается перегрузка цифровых линий связи (ЛС) в одном направлении передачи при одновременном отсутствии или малом значении нагрузки на ЛС в другом направлении передачи. Примером таких ситуаций на ЛС может служить распределение нагрузок на линиях доступа к информационным ресурсам сетей передачи данных, а именно: к базам данных, электронным справочникам и т.д. Из-за неравномерности интен-сивностей потоков нагрузок, поступающих на УК, на ЛС с постоянным распределением пропускной способности по направлениям передачи наблюдаются перегрузки в одном направлении передачи и низкая нагрузка в противоположном. Такие ситуации зависят от случайных процессов, например, от распределения поступающих нагрузок, характера передаваемой информации, суточной активности пользователей, проживающих в разных часовых поясах и т.д., а следовательно, они имеют динамически изменяющийся характер. Поэтому использование цифровой ЛС с постоянным распределением пропускной способности по направлениям связи может привести к внезапным резким скачкам времени задержки при передаче информации в одном направлении связи и к неэффективному использованию ЛС в другом направлении, что в конечном итоге приводит к ухудшению качества обслуживания вызовов.

Одним из способов повышения использования линейного оборудования является применение более эффективных методов передачи информации через сеть ПД.

Анализ методов коммутации в современных сетях электросвязи показал, что современные технологии, позволяющие достигать наибольшего экономического эффекта при передаче данных, используют в своей основе коммутацию пакетов, независимо от типа передаваемой нагрузки. Кроме того, для повышения использования линий связи применяются совместные методы коммутации, в которых используются элементы адаптивного управления.

Систему управления ресурсами сети ПД можно разделить на два уровня управления: сетевое управление и управление на ЛС. Сетевое управление включает в себя управление потоками информации в сети ПД. Анализ методов сетевого управления показал, что наиболее эффективным является применение адаптивного управления потоками информации, проходящими через сеть ПД. Разработка и применение методов адаптивного управления потоками информации в сетях ПД дает возможность повышения использования ресурсов сети

связи за счет оптимального распределения потоков нагрузок в сети и, как следствие, приводит к улучшению качества обслуживания вызовов. Во избежание перегрузок УК и ЛС используется методика ограничения потоков, передаваемых по ЛС в сети ПД.

Исследование существующих методов управления на уровне ЛС показало, что при разработке методов адаптивного управления на ЛС требуется учесть и устранить недостатки существующих методов доступа к ЛС, а также использовать их преимущества.

Применение адаптивного управления на уровне линии связи является новым направлением развития методов доступа к линии связи, что дает возможность повысить ее использование и приводит к возможности приема больших объемов информации в сеть, снижает количество сообщений, проходящих не по кратчайшему пути, что в свою очередь приведет к удешевлению стоимости предоставляемых абонентам соединений. Очевидно, что применение таких методов приводит к необходимости применения алгоритмов управления потоками информации в сети и потребует дополнительных вычислительных затрат на УК.

Во второй главе приводится описание модели функционирования двух УК сети коммутации пакетов в процессе передачи информации по соединяющей их цифровой ЛС. Модель состоит из двух узлов коммутации УК> и УК?, соединенных цифровой ЛС с общей пропускной способностью С и имеющих входные буферы Б| и Б2, соответственно, емкость которых ограничена. На узлы поступает нагрузка в виде пакетов фиксированной длины L. Кроме того, будем считать, что емкости входных буферов УК одинаковы и равны Qmax- Поступающие потоки нагрузок на узлы имеют интенсивности X, и Х^ соответственно на УК! и УК2, а также подчиняются экспоненциальному закону распределения. Время обслуживания соответствует времени передачи пакета по цифровой ЛС и равно L/C, где L - длина пакета в битах, а С - пропускная способность ЛС в бит/с. Для упрощения построения исследуемой модели удобно считать, что длина пакета постоянна, а соотношение длины пакета и пропускной способно' сти Л С подбирается таким образом, чтобы время обслуживания пакета было равно единице, то есть: L/C = 1. Если длина пакета постоянная, то средняя длительность обслуживания равна единице, т.е. 1/ц=1, отсюда интенсивность обслуживания пакетов ц равна также единице, р=1. Учитывая, что время передачи пакета по ЛС значительно превышает время необходимое для переключения Направления передачи данных в цифровой линии связи (защитный интервал), будем считать, что длительность данного защитного интервала равна нулю.

Разрабатываются методы адаптивного управления ресурсами цифровой

ЛС:

• метод адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по цифровой линии связи;

• циклический метод адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи с анализом состояния очередей;

• циклический метод адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи с анализом поступающей нагрузки.

Основу таких методов составляет процесс распределения времени передачи по ЛС между узлами, которые связаны данной ЛС, в одну и другую стороны.

Процесс функционирования метода адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по цифровой линии связи заключается в том, что некоторый фиксированной длительности квант времени предоставляется некоторое число раз подряд поочередно каждому из узлов для передачи имеющейся у него информации, образуя интервал передачи узлом (ИПУ). Количество предоставленных квантов времени в одном ИПУ определяется алгоритмом метода и зависит от того, как использовался УК предыдущий предоставленный ему ИПУ. Если ИЛУ использовался полностью для передачи информации УК, то следующий предоставленный ИПУ этому УК будет на один квант времени больше. Если ИПУ полностью не использовался для передачи информации УК, то следующий предоставленный ИПУ этому УК будет равен только одному кванту времени. Во избежание не контролируемого захвата одним УК общей пропускной способности ЛС и для ограничения времени задержки пакетов количество квантов времени в одном ИПУ необходимо ограничить.

Функционирование циклических методов адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи представляет собой процесс распределения времени передачи информации между узлами, соединенными цифровой ЛС, в течение циклов фиксированной длины. Пусть в течение одного цикла может быть' передано N пакетов длиной Ь, причем Ь пакетов из N передаётся от УК) к УК2. Очевидно, что при управлении значением величины Ъ осуществляется управление распределением времени передачи между узлами, т.е. распределяется пропускная способность ЛС по отдельным направлениям. Значение Ь вычисляется на каждом цикле в ведущем УК на основе данных о величинах нагрузок, поступающих на узлы. Для циклического метода адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи с анализом состояния очередей такими данными является количество пакетов в буферах УК. Если очередь на передачу у одного УК больше, чем у другого, например, в к раз, тогда и интервал времени, выделяемый этому УК для передачи информации, должен быть в к раз больше, чем выделяемый интервал времени для передачи информации другому УК. Пусть СЬ и СЬ - переменные, в которых содержатся значения, отражающие степень заполнения входных буферов обоих УК соответственно, тогда число пакетов, которое будет передано от УК| к УКг, бу-

дет определяться соотношением: b = N/2 + S[k(Q|-Q2)], причем k=-2-—,

S Q.u

где S - минимальный шаг изменения числа пакетов, передаваемых в каком-либо направлении передачи.

Алгоритм метода требует определения одного из двух УК как ведущего, а другого как ведомого. На ведущем УК должен функционировать процесс, осуществляющий распределение времени передачи информации между УК. Такая необходимость связана с использованием алгоритмом адаптивного управления пропускной способностью JIC информации о состоянии буферов УК в процессе передачи. Пусть, например, ведущим будет УК[, это означает, что информация о состоянии буфера УК2 должна передаваться в УК!. Передача данной информации из УК2 в УК1 осуществляется служебным пакетом (СП). Для того, чтобы устройству управления хватило времени произвести вычисления и принять решение о величине параметра Ь, служебный пакет должен передаваться первым в последовательности пакетов, передаваемых УК2 в отведенное ему время. Очевидно, что передача служебных пакетов уменьшает время, используемое для передачи полезной информации, на 100/N%. Во избежание захвата одним УК всего времени передачи информации по JIC необходимо ограничить минимальное и максимальное значения Ь.

Для циклического метода адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи с анализом состояния поступающей нагрузки данными для вычисления значения параметра b является количество пакетов, поступающих в УК в единицу времени. В данном методе информацией о нагрузках является количество пакетов, поступающих в буферы УК за определенный интервал времени фиксированной длины, который будем называть интервалом измерения. Если в буфер одного УК поступило пакетов больше, чем в буфер другого УК за один и тот же интервал измерения, например, в к раз, тогда интервал времени, выделяемый этому УК для передачи информации, должен быть соответственно в к раз больше, чем интервал времени, выделяемый для передачи информации другому УК. Пусть Kj и К2 - переменные, в которых отражается количество пакетов, поступающих в буферы УК| и УК2 за интервал измерения, соответственно, тогда число пакетов, которое будет передано от УК| к УК2, будет определяться соотношением: b = N/2 + S[ h ( К| - K2)], причем

»-S h=-2-

эк,,,.

Достоинством данных методов является возможность перераспределять пропускную способность цифровой ЛС в соответствии с величинами нагрузок, поступающих на УК, связанные данной ЛС, т.е. таким образом, чтобы использование ее ресурсов было по возможности максимальным, что приводит к по-

вышению качества обслуживания поступающих вызовов за счет повышения использования линейных ресурсов.

Область применения каждого из разработанных методов определяется из условий его функционирования. Достоинством метода адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по цифровой линии связи является то, что для его функционирования не имеет значения на каком из смежных УК находится управляющее устройство, осуществляющее распределение ИПУ по этим узлам, при этом не занимается пропускная способность ЛС для передачи служебной информации. Однако данный метод адаптивного управления обладает определенным недостатком, который связан с тем, что для управления пропускной способностью ЛС применяется алгоритм, исходными данными для которого является полное или не полное использование УК отведенного ему ИПУ, а отсюда следует, что даже при высоких нагрузках на ЛС в ней возможно наличие не полностью занятых ИПУ, что снижает использование ЛС из-за неполного занятия ее пропускной способности для передачи информации в течение одного ИПУ. Следовательно, применение данного метода эффективно тогда, когда вероятность перегрузки ЛС незначительна.

Достоинством циклического метода адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи с анализом состояния очередей является то, что он более устойчив к перегрузкам на ЛС, чем остальные методы. Так как в качестве исходных данных метод использует информацию о величинах длин очередей в буферах УК, то для получения необходимой служебной информации одним из УК используется СП. Максимальное теоретическое использовать 100(Л-1) „

ние ЛС в таком случае определяется соотношением: р____. Из этого

N

соотношения видно, что увеличение числа пакетов в цикле ведет к повышению коэффициента полезного использования ЛС, однако следует учитывать, что такое увеличение приводит и к увеличению времени задержки пакетов в буферах УК, а, следовательно, и необходимости увеличивать буферную емкость. Применение данного метода целесообразно при частых перегрузках на ЛС.

Циклический метод адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи с анализом поступающей нагрузки наиболее чувствителен к резким скачкам интенсивности поступающей нагрузки, что связано со сложностью подбора оптимального значения интервала измерения, поэтому эффективно применять данный метод в условиях равномерно изменяющейся интенсивности нагрузки, поступающей на ЛС.

В третьей главе анализируется оптимальность функционирования методов адаптивного управления ресурсами цифровой ЛС и доказывается, что данные методы адаптивного управления распределяют пропускную способность цифровой ЛС в соответствии с величинами интенсивностей поступающих на эту ЛС нагрузок.

Разработаны процедуры расчета и оценки качества обслуживания поступающих вызовов при адаптивном управлении ресурсами цифровой ЛС для предложенных методов. Выводятся математические соотношения, определяющие величины, которое характеризуют.качество обслуживания поступающих вызовов: среднее число пакетов в системе Np, среднее число ожидающих в очереди пакетов Nq, среднее время, которое пакет ожидает в очереди, W и среднее время пребывания пакетов в системе Тер. Данные величины связаны соотношениями, определяемыми теоремой Литтла Np=XTcp, Nq= ?Л\'. Для метода адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по цифровой линии связи получено:

Ч l-l 2 1

1 1-Х J

l~X 2 2Я([^]+1)

Для циклического метода адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи с анализом состояния очередей получено: 1М N

Nq = - ([-+ О, если N/2 < XN < N-S, и

Nq = Qmax, если N-S < Ш < N; (1)

W = n-([-+ если N/2 <XN< N-S, nW= -унесли N-S<XN<N.

Для циклического метода адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи с анализом поступающей нагрузки получено:

Nq = —^-+&„„; W =——' + -у*.

На основании сравнительного анализа полученных характеристик методов адаптивного управления с характеристиками обслуживания вызовов ЛС в отсутствии адаптивного управления, при условии, что значение интенсивности

поступающей на ЛС нагрузки находится в пределах i < Л < 1, в диссертации показано, что методы адаптивного управления позволяют избегать перегрузки

буфероз УК при изменении распределения интенсивностей нагрузок по направлениям передачи на ЛС.

Разработаны алгоритмы расчета времени сходимости для каждого из предложенных методов адаптивного управления и. приводятся примеры расчета времени сходимости для определенных значений поступающих нагрузок.

Под временем сходимости метода адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по цифровой линии связи будем понимать количество квантов времени в выделенных узлам, от момента времени 10, когда на УК| начинает поступать нагрузка, до момента времени (с, когда время для передачи информации алгоритмом метода будет распределено пропорционально интенсивностям поступающих на узлы нагрузок.

Для рассматриваемого метода определим цикл как интервал времени, в котором каждому из узлов для передачи информации предоставляется по одному ИПУ, а сверхцикл как интервал времени, начинающийся от предоставления каждому УК для передачи информации только одного кванта времени и заканчивающегося с окончанием цикла, в котором найдется не используемый полностью ИПУ одновременно для обоих УК.

Алгоритм расчета сходимости для метода адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по цифровой линии связи можно представить в виде следующих шагов:

1. Вычисляется значение Сср, которое находится из выражения Сср~[^ ^ ]+1 и

численно равно среднему количеству циклов в одном сверхцикле при установившемся распределении нагрузок на узлы. В соответствии с рассматриваемыми исходными данными величины 1,, в| на первом сверхцикле (к=1) принимают значения .11=2, 0|=2.

рмШ-1

2. Исходя из выражения ¡к+] =[-1--]+1, вычисляется следующее значение 1к и проверяется условие ¡к < Сср. Если условие ¡к < Сср не выполняется, то данный метод адаптивного управления достиг оптимального распределения времени передачи информации между узлами и время сходимости вычисляется

по в = . При удовлетворении значения ¡к условию 1к< Сср вычисляется знак

¡1

чение вк - ]Г/ исходя из соотношения 1к=1к+1, определяется параметр .1к,

/.1

значение к увеличивается на 1 и данный шаг повторяется вновь с новым значением к.

Под временем сходимости циклического метода адаптивного управления с анализом состояния очередей будем понимать количество циклов которое

необходимо выполнить алгоритму данного метода от момента времени t0, когда на YKi начинает поступать нагрузка, до момента времени to когда предоставляемые временные интервалы для передачи информации по J1C будут распределены пропорционально интенсивностям поступающих на узлы нагрузок. Зависимость величины очереди пакетов в буфере рт интенсивности поступающей на УК| нагрузки определяется соотношением (1),- причем значение интервала времени, предоставляемое алгоритмом метода УК, для передачи информации, становится пропорциональным входному потоку только при достижении количества пакетов, находящихся в буфере узла, величины Nq. Следовательно, время сходимости данного метода будет определяться временем заполнения входного буфера УК1 до величины Nq. Расчет времени сходимости данного метода осуществляется путем подсчета циклов, в течение которых очередь пакетов на УК изменяется до величины Nq.

Так как при функционировании циклического метода адаптивного управления с анализом состояния поступающей нагрузки решение об изменении значений интервалов предоставляемых узлам для передачи информации принимается по окончании интервала измерения, то время сходимости такого метода определяется величиной длительности интервала измерения.

Кроме того, в данной главе анализируется влияние различных параметров и характеристик предложенных методов на процесс их функционирования, а также на время сходимости при различных значениях интенсивности поступающей нагрузки на JIC и адаптивном управлении ее пропускной способностью.

В четвертой главе разрабатываются алгоритм и программа, при помощи которых проводится статистическое моделирование функционирования предложенных методов адаптивного управления пропускной способностью цифровой ЛС при различных значениях нагрузки и параметров исследуемых методов. По результатам проведенного сравнительного анализа языков программирования для написания программы был выбран специализированный язык программирования Симскрипт II.5, событийный механизм функционирования которого наиболее удобен для Описания исследуемых моделей предложенных методов адаптивного управления. Программа моделирования состоит из совокупности множества взаимодействующих процессов. Каждый из процессов имитирует какие-либо события, происходящие в модели, как например, генерацию потоков пакетов, поступающих на УК, постановку пакетов в очередь на обслуживание в УК, передача пакетов по ЛС и т.д. Кроме того, для осуществления регламентированного взаимодействия всех процессов в программе используется специальный процесс START SIMULATION, определяющий последовательность выполнения всех активных в данный момент процессов. Процесс Control реализует в модели алгоритмы адаптивного управления предло-

женных методов и управляет процессами, реализующими выборку пакетов из буферов УК и осуществляющими их передачу по ЛС.

На основе полученных в диссертации результатов статистического моделирования и теоретических расчетов показана целесообразность использования разработанных методов адаптивного управления пропускной способность^)" цифровой ЛС в условиях изменяющихся интенсивностей потоков нагрузок по ' направлениям передачи по ЛС, что позволяет избежать перегрузок ЛС и повысить ее использование.

Проведенный сравнительный анализ полученных характеристик исследуемых методов адаптивного управления позволил определить достоинства и недостатки предложенных методов и дать рекомендации по области их применения. К достоинствам циклического метода адаптивного управления с анализом состояния очередей можно отнести высокое использование ЛС при интенсивности суммарной нагрузки, поступающей на узлы, соединенные ЛС, стремящейся к предельному значению. Например, при длине цикла N = 100 и суммарной интенсивности нагрузки Х=1, поступающей на узлы, использование линии достигает 99 %, что согласуется с полученными ранее результатами теоретических расчетов. В отличие от этого при функционировании метода адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по линии связи ее использование не превышает 96 %, что объясняется алгоритмом функционирования метода. В этом методе решение о том, насколько загружен буфер соседнего УК, необходимое для осуществления адаптации, принимается на основе анализа состояния ЮТУ. Метод увеличивает ИПУ до тех пор, пока УК не в состоянии будет использовать его полностью для передачи своей информации, а это означает, что на линии всегда присутствуют ИПУ, не занятые полностью передаваемой информацией, что в свою очередь снижает использование ЛС.

Анализ отклонений максимальных от средних значений величин очередей на узлах показал, что наибольшую неравномерность обслуживания пакетов имеет метод адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по линий связи, а наименьшую - циклический метод адаптивного управления с анализом состояния очередей. Отсюда можно сделать вывод, что при использовании метода адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по линии связи пакеты покидают систему с большим разбросом времени пребывания в ней. В случае применения циклического метода адаптивного управления с анализом состояния очередей время обслуживания всех пакетов приблизительно одинаково и сконцентрировано около среднего значения. Общая рекомендация по применению предложенных методов заключается в целесообразности использования метода адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по линии связи при общей поступающей нагрузке, ограниченной условием 0,5 < Х< 0,95, так как среднее время

задержки пакетов в буферах узлов в этой области при применении данного метода меньше, чем при применении других предложенных методов, и использования циклического метода адаптивного управления с анализом состояния очередей при возможных частых перегрузках на ЛС. Кроме того, определено, что возможно только ограниченное применение циклического метода адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи с анализом поступающей нагрузки из-за образования паразитной очереди пакетов вследствие кратковременных перегрузок, возникающих на ЛС.

В приложениях к диссертации приводится описание адаптивных методов маршрутизации, описание функционирования методов доступа С8МА и СБМАУСО, описание специализированного языка программирования Симск-рипт 11.5, а также тексты программ, используемых в данной диссертационной работе для получения экспериментальных данных путем проведения статистического моделирования.

Основные результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Проведенный анализ принципов построения сетей ПД, существующих методов коммутации, методов адаптивного управления потоками информации в сетях связи и методов коллективного использования ЛС позволил определить, что:

• применение механизмов адаптивного управления в методах коммутации и маршрутизации существенно повышает использование сети электросвязи;

• в качестве основы для методов адаптивного управления ресурсами цифровой ЛС выбран принцип динамического распределения времени передачи между узлами, подключенными к данной ЛС;

2. Предложены и обоснованы методы адаптивного управления ресурсами цифровой ЛС сети пакетной коммутации, позволяющие за счет учета изменения ситуации на ЛС повысить использование ее ресурсов:

• метод адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по цифровой линии связи;

• циклического метода адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи с анализом состояния очередей;

• циклического метода адаптивного управления пропускной способностью цифровой линии связи с анализом поступающей нагрузки.

3. Выбранная в диссертации модель функционирования двух УК сети ПД в процессе передачи информации по соединяющей их цифровой ЛС используется в качестве основы для разработки методов адаптивного управления, которые в отличие от известных методов передачи позволяют адаптивно распределять пропускную способность ЛС по направлениям передачи информации, что приводит к повышению использования линейных ресурсов сети ПД.

4. Анализируется оптимальность функционирования методов адаптивного управления ресурсами цифровой ЛС и доказывается, что данные методы

адаптивного управления оптимальным образом, т.е. в соответствии с поступающими потоками нагрузки, распределяют время передачи информации по ЛС между узлами, соединенными данной ЛС.

5. Разработаны процедуры расчета и оценки качества обслуживания поступающих вызовов при адаптивном управлении ресурсами цифровой ЛС, включающие:

• анализ поведения длины очереди пакетов в буферах УК и способ расчета параметров качества обслуживания вызовов при наличии на ЛС адаптивного управления пропускной способностью по направлениям передачи информации на основе различных модификаций методов адаптивного управления;

• предложенные формулы расчета параметров качества обслуживания поступающей на ЛС нагрузки, т.е. величины средней длины очереди пакетов на узле и средней задержки пакета для каждого из предложенных методов, при адаптивном управлении ее пропускной способностью;

• оценку влияния различных параметров и характеристик методов на эффективность их функционирования при различных значениях интенсивности поступающей нагрузки на ЛС и адаптивном управлении ее ресурсами;

• оценку преимуществ адаптивного управления пропускной способностью цифровой ЛС по сравнению с применением дуплексных ЛС с постоянным распределением пропускной способности по направлениям передачи информации, при изменяющихся по величине чнтенсивностях потоков нагрузки, поступающих на эту ЛС.

6. Разработаны алгоритмы расчета времени сходимости для каждого из предложенных методов адаптивного управления, включающие: г

• способ расчета времени, необходимого алгоритмам методов адаптивного управления для изменения временных интервалов, предоставляемых, узлам для передачи имеющейся у них информации в соответствии с изменившимися потоками нагрузки на эти узлы;

• предложенные формулы расчета времени сходимости для каждого ¡из разработанных методов при адаптивном управлении пропускной способа ностью ЛС;

• оценку влияния различных параметров и характеристик методов на время сходимости при различных значениях интенсивности поступающей нагрузки на ЛС и адаптивном управлении ее пропускной способностью.

7. На основе проведенных аналитических расчетов и статистического моделирования показано, что:

• предложенные методы адаптивного управления пропускной способностью

цифровой ЛС позволяют повысить использование линейного оборудования,

за счет чего и улучшается качество обслуживания поступающих вызовов;

• полученные в результате эксперимента результаты, отражающие качество передачи информации, подтверждают выводы, полученные на основе аналитических методов исследования о том, что при использовании метода адаптивного управления, с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по линии связи максимальное отклонение времени задержки пакетов от его среднего значения при передаче их по J1C имеет значительно большую величину, чем при использовании циклического метода адаптивного управления с анализом состояния очередей;

. • для осуществления динамического распределения времени передачи узлами

, по J1C наиболее целесообразно использование метода, адаптивного управления с предоставлением квантов времени для передачи информации узлами по линии связи при общей поступающей нагрузке, ¡ограниченной условием 0,5 < Х< 0,95, и применение циклического метода адаптивного управления с анализом состояния очередей при возможных частых перегрузках на JIC;

• применение циклического метода адаптивного управления с анализом поступающей нагрузки не является эффективным вследствие влияния паразитной очереди, образующейся во входном буфере УК.

Публикации по теме диссертации: , 1. Долгов К.А. Лазарев Ю.В. Адаптивный алгоритм управления доступом к цифровой линии связи. // Цифровые телекоммуникационные сети и распределение информации. №205-св. М.: МТУСИ, 1994.

2. Долгов К.А., Лазарев Ю.В. Повышение использования цифровой линии связи за счет применения адаптивного управления // International Informatization Forum III. International Conference on Informatizational Networks and Systems. Proceedings. ICINAS-94, LONIIS, SUT , Тезисы докладов, Санкт-Петербург, 1994.

3. Долгов К.А. Построение имитационной модели функционирования методов адаптивного управления пропускной способностью линии связи // Международный форум информатизации - 95. Телекоммуникационные и вычислительные системы. Тезисы докладов. Москва, 1995.

4. Долгов К.А. Использование методов динамического управления пропускной способностью цифровой линии связи. // XI Белорусская зимняя школа-семинар "Исследование сетей связи и компьютерных сетей методами теории массового обслуживания". Тезисы докладов. Минск, 1995.

5. Долгов К.А., Лазарев Ю.В. Адаптивное управление пропускной способностью линии связи При • передаче данных // Международная конференция "100-летие начала использования электро-магнитных волн для передачи сообщений и зарождение радиотехники. 50-я научная сессия, посвященная дню радио. Тезисы докладов, Москва. 1995.

6. Долгов К. А. Использование имитационного моделирования для анализа методов адаптивного управления потоками на линии связи. Труды учебных институтов связи. Санкт-Петербург, 1995. - 6 с.

7. Долгов К.А., Лазарев Ю.В. Анализ алгоритмов адаптивного управления пропускной способностью линии связи методом сравнительного моделирования. // Научно-технический семинар "Информационные сети и системы". Тезисы докладов. Суздаль, 1995.

8. Долгов К.А.. Анализ оптимальности функционирования методов адаптивного управления ресурсами цифровой линии связи // Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ. Тезисы докладов. Москва, 1997.

9. Долгов К.А., Лазарев Ю.В. Метод анализа качества обслуживания поступающих вызовов при адаптивном управлении ресурсами цифровой линии связи. // Международный семинар «Информационные сети, системы и технологии». Тезисы докладов. Ярославль - Москва, 1997.

Подписано в печать 17.11.97 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Объем 1,2 усл. п.л. Тираж 100 экз. Заказ 291._

ЗАО «Кнформсвязьиздат». Москва, ул. Авиамоторная, 8.