автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Исследование методов доставки данных с заданным качеством обслуживания в сетях с общественным доступом

ВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ

СЕТЕВОГОВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.

1.1 Постановка задачи.

1.2 Методы анализа и проектирования сложных сетевых структур.

1.3 Выбор критериев качества доставки данных

1.4 Классификация типов данных.

1.5 Сетевые возможности своевременной доставки информации.

1.5.1 Стандарты гарантии качества доставки данных.

1.5.2 Механизмы безопасной передачи данных

1.6 Анализ методов математического моделирования

1.6.1 Модель виртуального канала.

1.6.2 Управление потоком.

1.6.2.1 Оценка текущего состояния канала

1.6.2.2 Управление перегрузкой в виртуальном канале

1.6.2.3 Анализ метода вероятностного ограничения потоков за счет детерминированного уровня потерь

1.6.2.3 Методы маршрутизации пакетов

Выводы: по первой главе

ГЛАВА 2. МЕТОД ОПТИМАЛЬНОЙ СТАТИЧЕСКОЙ МАРШРУТИЗАЦИИ ИСХОДЯЩИХ ПОТОКОВ

2.1 Модель виртуального канала

2.1.1 Математические принципы моделирования и оценки параметров виртуального канала

2.1.2 Оценка длительности квазистационарного временного интервала.

2.1.3 Выбор критериев качества и методика оценки параметров виртуального канала.

2.1.4 Результаты моделирования характеристик реальных виртуальных каналов.

2.2 Моделирование работы шлюза доступа к виртуальному каналу WAN.

2.2.1 Формальное описание объекта моделирования.

2.2.2 Математическая модель функционирования шлюза узла

2.2.3 Оценка характеристик функционирования шлюза на основе анализа модели.

2.3 Модель функционирования абонентского узла. Оптимизация процесса маршрутизации исходящих потоков по выбранному критерию

2.3.1 Формальное описание модели стохастической сети

2.3.2 Математические принципы моделирования для оценки объединенных параметров разомкнутой стохастической сети

2.3.3 Интегральный параметр оценки эффективности сети массового обслуживания

2.3.4. Оптимизация маршрутной политики

2.3.5 Пример работы метода оптимальной маршрутизации.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. МЕТОД АДАПТИВНОГО ОГРАНИЧЕНИЯ ПОТОКОВ

3.1 Процедура оценки текущего состояния виртуального канала и потока данных.

3.1.1 Модель представления дискретного состояния виртуального канала.

3.1.2 Модель представления дискретного состояния потока данных

3.1.3 Процедура идентификации текущего состояния.

3.1.4 Модель принятие решения о переходе канала (потока) из состояния 111 в состояние ^

3.2 Проектирование управляющей системы адаптивного ограничения и перераспределения исходящих потоков

3.2.1 ЦУМ

3.2.2 Агент

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА

4.1 Схема анализа методов

4.1.1 Схема оценки параметров сетевого соединения

4.1.2 Структура имитационной модели.

4.2. Анализ методов статической маршрутизации.

4.2.1 Схема доступа на базе единственного канала

4.2.2 Оценка эффективности метода альтернативного выбора маршрутов.

4.2.3 Оценка эффективности метода

4.3. Анализ методов адаптивного управления

Актуальность темы. Создание информационного общества требует повышения степени интеграции всех сторон жизни, при этом задача представления и обмена информацией выходит на передний план. Вторая половина XX века ознаменовалась быстрыми темпами роста глобальных сетей и созданием структуры территориально удаленных пользователей, что позволяет рассматривать каналы общественного доступа как возможную транспортную среду доставки данных.

Сетевые средства взаимодействия всегда находились в сфере внимания разработчиков. Первоначально возникла задача проектирования и синтеза сложных сетей, этому этапу исследований посвящены работы таких ученых, как М. Шварц, М. Герла, JI. Кленрок, Р. Галлагер, Н.Ф. Максемчук, М. Зарки, Г.П. Захаров, Г.Г. .Яновский, C.B. Емельянов, В.В. Лохмотко, И.А. Мизин, C.JI. Яковлев, Б.Я. Советов. В результате сформировались определенные методики формализации и описания сетевого взаимодействия. В настоящее время интересы сместились в сторону повышения эффективности сетевых процессов и введения дополнительных видов обслуживания в уже существующих и функционирующих сетях. Последние публикации В.Г. Юрасова, В.Г. Лазарева, I. Chalmtac, A. Farago, D. Clark посвящены задаче эффективного управления в сетях.

Использование сетей общественного доступа рассматривается как экономически выгодный и перспективный метод интеграции распределенных объектов. Однако, стохастический характер сетевых процессов ограничивает область применения детерминированных методов прогнозирования поведения системы, необходимо рассматривать комбинацию методов планирования и адаптивной оптимизации сетевого движения в условиях нестабильной передающей среды. Учитывая важность задачи достоверной оценки поведения системы, особое внимание уделяется методам идентификации текущего состояния телекоммуникационных каналов. Актуальность исследований определяется перспективностью . использования сетей общественного доступа в качестве транспортной подсистемы.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов оценки и прогнозирования состояния телекоммуникационных каналов сети общественного доступа и адаптивных методов обмена в распределенной системе приема-передачи информации на базе сетей общественного доступа. 6

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Разработка метода оценки параметров телекоммуникационной системы, определяющих качество обслуживания (доставки) данных.

2. Разработка методов обеспечения заданного качества доставки информации между узлами распределенной системы за счет оптимальной маршрутизации на уровне абонентской сети (узла распределенной системы) и адаптивного ограничения исходящих потоков согласно приоритетам типизированного трафика.

Методы исследования в данной работе основаны на положениях теории вероятностей, математической статистики, теории массового обслуживания, теории информации и технологии имитационного моделирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке методов доставки разнородной информации между узлами распределенной системы по стандартным каналам сетей общественного доступа с заданным качеством обслуживания. Наиболее важными из них являются:

1 .Математическая модель виртуального канала глобальной сети для вероятностно-статистической оценки и прогнозирования параметров доставки данных.

2. Метод оптимальной статической маршрутизации исходящих потоков на основе вероятностного прогнозирования квазистационарных состояний виртуального канала.

3. Метод адаптивного ограничения и перераспределения исходящих потоков на основе текущего оценивания состояния виртуального канала при помощи процедуры скользящего окна усреднения.

Практическая значимость.

Разработан метод статистического анализа, на базе которого созданы процедуры оценки параметров телекоммуникационных каналов и потоков данных.

Предложена распределенная схема управления в абонентской сети, реализующая алгоритмы адаптивного ограничения и перераспределения исходящих потоков.

Разработан пакет программ для имитационного моделирования транспортных процессов доставки данных в распределенной системе. Моделирование может быть проведено в режиме получения вероятностных оценок эффективности метода статической маршрутизации, алгоритмов адаптивного ограничения и перераспределения исходящих потоков. 7

Внедрение результатов.

Результаты диссертационной работы использованы в информационно-вычислительном центре Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров при разработке программного комплекса многопараметрической оценки производительности транспортных каналов корпоративной сети. Методика вероятностной оценки состояния виртуального канала глобальной сети и пакет прикладных программ для имитационного моделирования процесса доставки данных в условиях нестабильной передающей среды внедрены в учебный процесс и курс лабораторных работ Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета для студентов специальности 2204 - "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем". 8

Выводы:

В диссертационной работе рассмотрена транспортная подсистема обмена информацией в сети общественного доступа, которая базируется на двух методах: методе оптимального планирования статической маршрутизации (метод-I) и методе

123 адаптивного ограничения и перераспределения исходящих потоков (метод-П). Метод-1 позволяет планировать статическую маршрутизацию на квазистационарных временных интервалах. Метод задает схему многоканального взаимодействия, при этом эффективность использования сетевых ресурсов составляет 68% при уровне потерь 10%. Однако, метод-1 не гарантирует заданного качества доставки информации и может рассматриваться как этап планирования работы транспортной подсистемы.

Метод-П назначает приоритеты каждому типу передаваемых данных и определяет механизм привилегированного обслуживания потоков. Степень использования виртуальных каналов повысилась до 76% при уровне потерь низкоприоритетного трафика 10-15% и высокоприоритетного трафика 3-4%. Данные оценки позволяют считать, что метод-П обеспечивает требуемое качество обслуживания передаваемых данных.

Прогнозирование статических маршрутов (метод-1) обеспечивает более стабильную работу механизмов адаптивного ограничения и перераспределение потоков (метод-П), что повышает эффективность транспортной подсистемы в целом.

124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют сформулировать основные выводы и результаты:

1. Разработана модель виртуального канала обмена данными в сетях общественного доступа; и на базе модели формализована процедура статистической оценки параметров качества доставки в канале. Накопление статистической информации позволяет прогнозировать квазистационарные состояния информационно-транспортных процессов.

2. Теоретически обосновано, что задача своевременной доставки данных в сети требует введения механизмов планирования и управления потоками. Разработан метод статической маршрутизации в абонентской сети на основе вероятностного прогнозирования квазистационарных состояний виртуального канала, который позволяет оценить пригодность сетевых соединений для рассматриваемого информационного взаимодействия и оптимизировать использование канального ресурса.

3. Учитывая нестабильность передающей среды сети общественного доступа возникает необходимость введения адаптивных механизмов управления трафиком. Разработан метод адаптивного ограничения и перераспределения исходящих потоков в рамках которого определена процедура текущего оценивания состояния виртуального канала и разработаны алгоритмы адаптивного управления.

4. Проведен анализ методов оценки текущего состояния дискретного канала и на базе полученных выводов разработана процедура идентификации текущего состояния виртуального канала на основе метода скользящего окна усреднения. Показана эффективность процедуры с точки зрения достоверности оценки, потребности в вычислительных ресурсах, простоты реализации.

5. Спроектирована функциональная схема управляющей подсистемы в абонентской сети, реализующая алгоритмы адаптивного ограничения и перераспределения исходящего трафика.

6. Разработан пакет прикладных программ для имитационного моделирования процессов доставки данных между узлами распределенной системы. Определены режимы моделирования для оценки эффективности метода статической маршрутизации на прогнозируемых квазистационарных интервалах и метода адаптивного ограничения и перераспределения исходящих потоков. Количественные оценки степени использован сетевого ресурса (полосы

125 пропускания каналов) относительно уровня потерь в системе показали повышение эффективности от использования методов. Метод статической маршрутизации характеризуется соотношением параметров Рзаг/РПот=0.68/0.1; метод адаптивного ограничения и перераспределения потоков обеспечивает степень использования загрузки каналов Рзаг-0.76 при уровне потерь низкоприоритетного трафика РПОт=0.1-0.15, высокоприоритетного Рпот=0.02-0.03, что отвечает требованиям качественного обслуживания.

126

1. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ: В 2-х ч.: Пер. с англ. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992.

2. Нетес В.А. Качество обслуживания на сетях связи. Обзор рекомендаций МСЭТ// Сети и системы связи, 1999, №3.

3. Gerla M., Staskauskas M. Fairness in Flow Controlled Networks// Proc. ICC, 1981, 63.2.1-5.

4. Gerla M., Kleinrok L. Flow Control: A Comparative Survey// IEEE Transactions on Communs, vol. 28,4, 1980, C.553-557.

5. Бертсекас Д., Галлагер P. Сети передачи данных. -M.: Мир, 1989.

6. Maxemchuk N.F., El Zarki M. Routing and Flow Control in High-Sped Wide-Area Networks//Proc. IEEE, vol.78,1,1990.

7. Захаров П.П., Симонов M.B., Яновский Г.Г. Службы и архитектуры широкополосных сетей интегрального обслуживания. //Технологии электронных коммуникаций, Том 41.

8. Захаров П.П., Яновский Г.Г. Цифровые сети интегрального обслуживания и системы коммутации. //Итоги науки и техники. Серия Связь. -М.: ВИНИТИ АН СССР, 1990, Том 5, С.3-53.

9. Под редакцией акад. АН СССР Емельянова C.B. Технология системного моделирования. -М.: Машиностроение, 1988.

10. Лохмотко В.В., Пирогов К.И. Анализ и оптимизация цифровых сетей интегрального обслуживания. -М.: Наука, 1989.

11. П.Мизин И.А., Кулешов А.П., Богатырев В.Ф. Сети коммутации пакетов. -М.: Радио и связь, 1986.

12. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Построение сетей интегрального обслуживания., Л.: Машиностроение, 1990.

13. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. -М.: Высшая школа, 1985.

14. Лазарев В.Г. Управление потоками информации в интеллектуальных цифровых сетях/ 4 Международный Форум по Информатизации, Международная конференция по сетям и системам, 1996.

15. Мидвинтер Т. Технологии коммуникаций мультимедиа// Сети и системы связи, 1996, №7.127

16. Ньюман Д., Браун Д. Системы видеоконференц-связи стандарта Н.323// Сети и системы связи, 1998, №2.

17. Карузо Д. Интеграция речи и данных в корпоративных сетях// Сети и системы связи, 1998, №10.

18. Коновер Д. Как построить высокопроизводительную сеть Ethernet// Сети и системы связи, 1999, №1.

19. Коновер Д. BJ1BC: стандарты р и Q на подходе// Сети и системы связи, 1998, №2.

20. Холл Э. Внедрение приоритезации трафика в сети Ethernet//CeTH и системы связи, 1998, №11.

21. Холл Э. Приоритезация трафика в сетях 1Р//Сети и системы связи, 1998, №11.

22. Федотов А.Е. RSVP- гарантия качества обслуживания в сетях TCP/IP// Сети и системы связи, 1996, №7.

23. Покатаева Е. Технологии коммутации// PC WEEK/RE, 1998, №15.

24. Теджер Р. IPv6: в чем секрет привлекательности нового протокола// Сети и системы связи, 1998, №12.

25. Уилсон Т. Новые продукты для эффективного использования полосы пропускания// Сети и системы связи, 1999, №1.26. .Золотов A.C. Протоколы Internet. СПб.: BHV, 1998.

26. Московиц Р. Протокол IPSec для групп по интересам// Сети и системы связи, 1998, №7.

27. Фратто М. Секреты виртуальных частных сетей// Сети и системы связи, 1998, №3.

28. Юрасов В.Г. Синтез развивающихся компьютерных систем вуза на основе прогностических моделей. Воронеж: ВГТУ, 1999.

29. Юрасов В.Г. Моделирование и синтез развивающихся телекоммуникационных сетей и компьютерных систем управления ВУЗом// Автореферат диссертации. Воронеж: ВГТУ, 1999.

30. Лазарев В.Г. Управления потоками информации в интеллектуальных цифровых сетях. СПб.: IV Международный форум по информатизации, Международная конференция по информационным сетям и системам, 1996.

31. Chamtac I., Farago A., Zhang H., Fumagalli A. A Deterministic Approach to the End-to-End Analysis of Packet Flows in Connection-Oriented Networks// IEEE/ACM Transactions on networking, vol. 6; №4, 1998.128

32. Clark D., Fang W. Explicit Allocation of Best-Effort Packet Delivery Service// IEEE/ACM Transactions on networking, vol. 6; №4, 1998.

33. Xie G., Lam S. Real-Time Transfer Under a Link-Sharing Hierarchy// IEEE/ACM Transactions on networking, vol. 6; №1,1998.

34. Шенон К. Математическая теория связи. -М.: Наука, 1948.

35. Ермаков С.М., Жиглявский A.A. Математическая теория оптимального эксперимента. -М.: Наука, 1982.

36. Жиглявский A.A. Математическая теория глобального случайного поиска. —Л.: Изд. Ленинградского Университета, 1985.

37. Большаков В.Д. Теория ошибок наблюдения. -М.: НЕДРА, 1983.

38. Изерман Р. Цифровые системы управления. -М.: Мир, 1984.

39. Пешель М. Моделирование сигналов и систем. -М.: Мир, 1981.

40. Тюрин Ю.Н., Макаров A.A. Анализ данных на компьютере. -М.: ИНФРА-М, Финансы и статистика, 1995.

41. Стратонович P. JI. Теория информации. -М.: Сов. Радио, 1975.

42. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. -М.: Высш. шк., 1998.

43. Венцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. -М.: Наука, 1988.

44. Заркс Ш. Теория статистических выводов. -М.: Мир,1975.

45. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. -М.: Мир, 1981.

46. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. В 2-х томах. -М.: Мир, 1989.

47. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989.

48. Мейндональд Дж. Вычислительные алгоритмы в прикладной статистике. -М.: Финансы и статистика, 1988.

49. Дайнтбегов Д.М., Калмыкова О.В., Черепанов А.И. Программное обеспечение статистической обработки данных. -М.: Финансы и статистика, 1984.

50. Гнеденко Б.В. Лекции по теории массового обслуживания. -М. Радио и связь, 1986.

51. Моисеев H.H., Иванилов Ю.П., Столярова Е.М. Методы оптимизации. -М.: Мир, 1978.

52. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. -М.: Наука ,1975.

53. Башарин Г.П. Анализ очередей в вычислительных сетях. М.: Мир, 1989.129

54. Бичурина JI.А., Козин Н.С. Телекоммуникационные компьютерные сети России/ СП "Эко-Трендз". -М., 1994. -Технологии электронных коммуникаций; Т.46.

55. Компьютерные сети/ СП "Эко-Трендз". -М., 1991. -Технология электронных коммуникаций; Т.1.

56. Авен О.И., Турин H.H., Коган Я.А. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. -М.: Наука, 1992.

57. Иносе X. Интегральные цифровые сети связи: Введ. в теорию и практику. -М.: Мир, 1982.

58. Линингтон П.Ф. Принципы определения служб и спецификации протоколов// ТИИЭР, 1983, Том 71, №12.

59. Методы автоматизированного проектирования систем телеобработки данных/ В.А. Мясников и др. -М.: Энергоатомиздат, 1992.

60. Вопросы построения распределенных информационных сетей// Монитор, 1995, №5.

61. Зайцев С.С., Кравцунов Н.И., Ротанов C.B. Сервис открытых информационно-вычислительных сетей. -М.: Радио и связь, 1990.

62. Телекоммуникационная инфраструктура систем автоматизированного обмена информацией/ Ю.А. Керженцев и др. -М.:ВНИИ, 1990.

63. Дубовец В.В., Маленков A.B. Резидентное средство оценки производительности ЛВС// Изв. ТЭТУ: Сб. науч. тр. -СПб., 1997. -Вып.515. -С.102-109.

64. Дубовец В.В., Маленков A.B., Яновский В.В. Способы передачи реальных сцен в сетях с ограниченной пропускной способностью// "Телематика 97": Тез. докл. Всерос. науч.-метод. конф. -СПб., 1997. -С.54-55.

65. Раскин Л.Г. Анализ сложных систем и элементы теории управления. -М.: Сов. Радио, 1976.

66. Средства создания смешанных сетей предприятия// Сети, 1993, №3.

67. Сипсер Р. Дж. Архитектура связи в распределенных системах. -М.: Мир, 1981. -Кн.1.130

68. Маленков A.B. Доступ к распределенным ресурсам корпоративной сети кафедры// Изв. ТЭТУ: Сб. науч. тр. -СПб., 1997. -Вып.515. -С.137-145.

69. Маленков A.B. Модель адаптивного контроля многоканального доступа в WAN//Te3. докл. Всерос. Электротехн. Конгр. с междунар. участием, ВЭЛК-99, секция 5В "Судовые ИУЭС". -М., 1999.

70. Маленков A.B. Метод оптимального планирования статической маршрутизации исходящих потоков на основе вероятностного прогнозирования квазистационарных состояний виртуального канала/ СПбГЭТУ. -СПб., 1999. -23с. -Деп. в ВИНИТИ 09.08.99, №2572-В99.

71. Форд Л.Р., Фалкерсон Д. Потоки в сетях. -М.: Мир, 1986.

72. Фролов A.B., Фролов Г.В. Локальные сети персональных компьютеров. Использование протоколов IPX, SPX, NetBIOS. -М.: Диалог-МИФИ, 1995 (Б-ка системного программиста. Т.8).

73. Фролов A.B., Фролов Г.В. Глобальные сети компьютеров -М.: Диалог-МИФИ, 1996 (Б-ка системного программиста. Т.23).

74. Фред Халсалл Передача данных, сети компьютеров и взаимосвязь открытых систем. -М.: Радио и связь, 1996.

75. Черноморов Г.А., Ковалевский В.И. Вычислительные сети распределенных систем обработки информации. -Новочеркасск: НТИ, 1991.

76. Шашин A.M., Белов И.В. Задержка в сетях передачи данных. Л.: ЛИАП, 1971.

77. Шварц М. Сети ЭВМ: Анализ и проектирование: Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1981.

78. Шенон Р. Имитационное моделирование искусство и наука. -М.: Мир, 1978.

79. Якубайтис Э.А. Открытые информационные сети -М.: Радио и связь, 1991.

80. Якубайтис Э.А. и др. Информационные сети и системы. Справочник. -М.: Финансы и статистика, 1996.

81. Введение в X.25//READ.ME, -1993, №4.

82. Разработка методов и средств построения систем сбора, передачи и распространения гидрометеоинформации: Отчет о НИР/ЛЭТИ; руководитель Ю.В. Аветов. -АСОИУ, №гр. 01830032349, Инв.№ 0284.0013704. -Л., 1983.131

83. Клейнрок JI. Теория массового обслуживания. -М.: Машиностроение, 1979.

84. Клейнрок Л. Коммуникационные сети: Стохастические потоки и задержки сообщений: Пер. с англ. -М.:Наука, 1970.

85. Овчинников Г.Р. К расчету среднего времени задержки пакета в центре коммутации// Техника средств связи. -М., 1984, Сер. Технологии информационных сетей.

86. Толковый словарь по вычислительным системам: Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1990.

87. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. -М.: "ВЕК", 1997.

88. Аппаратные и программные средства// Назаров C.B. Локальные вычислительные сети. -М.: 1994. -Кн.З.

89. Le MoCi G. A theory of colloquies// Acta Frequenza. Vol. 13,1973, №10.

90. Кузнецов О.П., Адельсон-Вельский Г.М. Дискретная математика для инженера. -М.: Энергоатомиздат, 1988.

91. Армстронг Дж. Секреты UNIX. -К.: Диалектика, 1996.

92. Немет Э., Снайдер Г. и др. UNIX: руководство системного администратора. -К.: BHV, 1996.

93. Лоренс Б. Novell NetWare 4.1 в подлиннике: Пер. с англ. СПб.: BHV, 1996.

94. Сетевые средства Microsoft Windows NT Server 4.0: Пер. с анг. СПб.: BHV, 1997.

95. Шварц Р., Кристиансен Т. Изучаем Perl. -К.: BHV, 1998.

96. Трой Д. Программирование на языке Си для персонального компьютера IBM PC. -М.: Радио и связь, 1991.

97. Жельников В. Криптография от папируса до компьютера. -M.: ABF, 1996.

98. Кобьелус Д. Систематический подход к защите интрасети //Сети, 1997, №10.

99. Карве А. Инфраструктура с открытыми ключами// Lan Magazine, 1997, №8.