автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Метод многокритериальной интеграции модели системы управления трафиком телекоммуникационной сети

На правах рукописи

л-

Рудь Дмитрий Евгеньевич

МЕТОД МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ИНТЕГРАЦИИ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТРАФИКОМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ

Специальность

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (вычислительная техника и информатика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Таганрог-2013

005543325

005543325

Работа выполнена на кафедре Радиотехнических и телекоммуникационных систем Южного Федерального университета в г. Таганроге.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Лобач Владимир Тихонович

Официальные оппоненты:

Прозоровский Евгений Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «ГМУ имени адмирала Ф. Ф. Ушакова», кафедра «Информационные системы и технологии», профессор;

Ковалев Сергей Михайлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения», кафедра «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте», профессор.

Ведущая организация: Институт информационных технологий и телекоммуникаций ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», г. Ставрополь.

Защита диссертации состоится «26» декабря 2013 г. в {0 часов 20 минут на заседании диссертационного совета Д 212.208.22 Южного федерального университета по адресу: пер. Некрасовский, 44, ГСП - 17А, г. Таганрог, Ростовская область, 347928, аудитория Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: ул. Пушкинская, 148, г. Ростов-на-Дону, 34440.

Автореферат разослан <$"(» Ил)Х _ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Целых Александр Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы ' исследования. В настоящее время мировая телекоммуникационная индустрия претерпевает революционные изменения. Постоянное развитие информационных технологий, появление новых аппаратно-программных комплексов ставят перед операторами и провайдерами телекоммуникационных услуг сложные задачи в части управления функционированием объектов связи, основная цель которого заключается в поддержании нормативного качества оказания услуг и функционирования сетей.

Для поддержания заданного уровня качества услуг, оговоренного соответствующим соглашением (Service Level Agreement - SLA), необходима автоматизация контроля, мониторинга и управления разнородным оборудованием и системами связи на основе единых принципов. Используемые сегодня технологии управления процессами в телекоммуникационных сетях (ТС) в рамках стандартизованных концепций сетевого администрирования не позволяют провести качественный и количественный анализ эффективности используемых средств, что является серьезной проблемой при создании автоматизированной системы управления трафиком ТС.

Решением сложившейся проблемы эвристического описания процесса управления ТС может стать адаптация математического аппарата нескольких областей научного знания для создания адекватной модели объекта С ее помощью станет возможным получение качественной и количественной оценок эффективности функционирования ТС по совокупности критериев для последующего осуществления управления в соответствии с требованиями SLA.

Степень научной разработанности проблемы. Известен ряд работ, в которых были предприняты попытки адаптации различных математических теорий для описания функционирования ТС. Среди них Д. Бертсекас и Р. Галлагер, М. Шварц,

B.М.Вишневский, Н. Н. Мошак, В.Г.Лазарев, Л.Б.Богуславский, однако предложенные математические модели неприменимы по ряду причин для описания современных ТС.

Основным математическим аппаратом для описания процессов функционирования ТС является теория систем массового обслуживания (СМО). Классическими работами в области теории СМО являются труды Л. Клейнрока, А. Кофмана и Р. Крюона, Б. В. Гнеденко и И. Н. Коваленко, Л. А. Овчарова В указанных работах были предприняты попытки преодоления ограничений пуассоновского потока, однако ни одна из них не была применена для описания многопроцессорных систем обработки трафика.

Вопросам анализа и оценки надежности систем и информационных сетевых структур посвящено немало исследований. Так в известных работах Б. Я. Советова и

C. А. Яковлева, Б. П. Филина, А. М. Половко предложены различные методы анализа надежности технических и информационных систем. Однако вопросам влияния надежности диагностического сервиса на функционирование систем не было уделено достаточно внимания, в то время как получение интегральной оценки невозможно без комплексного анализа всех факторов, оказывающих влияние на характеристики производительности информационно-технической системы.

Среди многообразия литературы по синтезу и исследованию систем Автоматического управления стоит отметить ряд работ, в которых были рассмотрены дискретные системы, а также были предприняты попытки их моделирования с помощью программных сред. К их числу можно отнести работы следующих авторов:

X. Квакернаака, Р. Сивана, А. А. Колесникова, N. S. Nise, D. Xue, Y. Q. Chen, D. P. Atherton, J. J. D'Azzo, С. H. Houpis, S. N. Sheldon. Результатом анализа их работ стало обоснование необходимости использования систем автоматического регулирования при синтезе систем управления исследуемым объектом.

Следует отметить, что, несмотря на большое количество попыток изложения инженерных методик по проектированию и последующему управлению ТС, процесс сетевого администрирования по-прежнему остается искусством, зависящим от опыта и эрудиции инженера. Рекомендации производителей оборудования по настройке аппаратно-программных средств оторваны от математических моделей функционирования ТС, что выражается в отсутствии методик качественной и количественной оценок эффективности функционирования ТС. В свою очередь, предлагаемые в литературе математические модели не могут с достаточной точностью описать процессы функционирования отдельных подсистем и устройств, не говоря уже о ТС в целом. Таким образом, возникает задача адаптации и актуализации наиболее проработанного математического аппарата, дополненного общей теорией надежности, и совмещения его с теорией автоматического управления для получения интегральной модели системы управления трафиком ТС.

Целью диссертационного исследования является разработка и исследование комплексной модели системы управления трафиком телекоммуникационной сети.

Реализация поставленной цели предполагает решение следующих задач:

- провести анализ существующих концепций и протоколов управления, а также критериев (метрик), характеризующих функциональные элементы ТС;

- разработать математические модели функционирования подсистем ТС для последующего их объединения в интегральную модель;

- провести имитационное моделирование предложенных математических моделей с целью оценки их адекватности;

- разработать инженерную методику управления трафиком ТС.

Объектом исследования являются телекоммуникационные сети (сети

передачи информации).

Предметом исследования выступает система управления трафиком ТС.

Теоретико-методологическая основа исследования. Для достижения поставленных задач применялись методы системного анализа, математического программирования, вычислительной математики, системного проектирования. В основе разработанных моделей лежат: теория систем массового обслуживания, теория надежности и теория графов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты проведенного анализа концепций, протокольных средств и критериев процесса сетевого администрирования. Рассмотрение ТС как сложного объекта управления и декомпозиция ее на отдельные подсистемы с выделением основных показателей качества их функционирования. Обоснование выбора соответствующего математического аппарата для каждой из подсистем, описывающего процессы обработки и распределения информации (стр. 24, 36,38).

2. Адаптация математических моделей подсистем ТС в соответствии со спецификой архитектуры современных аппаратно-программных средств. Предложенные модели учитывают влияние неординарности входного информационного потока, характеристик потоков отказов и восстановлений, а также показателей надежности диагностического сервиса на производительность системы (стр. 53, 78,84).

3. Модель планировщика очередей на обслуживание протокольных блоков, основанная на динамической диспетчеризации, учитывающая изменение приоритета во времени, позволяющая перераспределять канальный ресурс между различными типами трафика (стр. 67).

4. Метод расчета интегральных весовых коэффициентов линий связи для тонкой настройки протоколов динамической маршрутизации. Получение максимально эффективного плана распределения трафика посредством инструментария теории графов и транспортной задачи линейного программирования на основе рассчитанных интегральных коэффициентов (стр. 94-95).

5. Применение дискретного ПИ-регулятора в системе управления длиной очереди на узле ТС с учетом априорных значений параметров, полученных с использованием предложенных ранее моделей. Расчет ограничений, накладываемых на пропорциональные коэффициенты ПИ-регулятора с целью сохранения устойчивости системы (стр. 106,118).

6. Инженерные методики управления распределением трафика, производительностью и надежностью узлов ТС, основанные на предложенных в работе математических моделях (стр. 143, 155).

Достоверность и обоснованность диссертационного исследования подтверждена: соответствием полученных выражений основным законам теории массового обслуживания, теории надежности; результатами имитационного моделирования функционирования предложенной системы управления перегрузками узла ТС; успешным практическим применением предложенной инженерной методики управления трафиком ТС.

Научная новизна диссертационного исследования:

1. Предложена модель узла ТС, позволяющая учесть влияние неординарного стационарного информационного потока на производительность системы, основанная на математическом аппарате теории массового обслуживания. Предложенная модель, в отличие от аналогов, позволяет учесть особенности многопроцессорной обработки групп протокольных блоков различного размера (стр. 50, 53).

2. Предложена модель узла ТС, позволяющая учесть влияние внешних факторов, выраженных в виде потока отказов, и интенсивности диагностического сервиса на надежность функционирования системы, отличающаяся возможностью учета вероятностей возникновения ошибок I и II рода (стр. 84).

3. Для поддержания заданного уровня качества обслуживания трафика на узлах ТС во время перегрузок предложено выстраивать очереди на обслуживание на основе динамического приоритета протокольных блоков с возможностью ручной регулировки. Доказано, что за счет учета «старения» протокольных блоков и ручной регулировки планировщика возможно сохранение заданного уровня качества обслуживания при кратковременных перегрузках на узлах ТС (стр. 67).

4. Предложена модель структуры ТС, позволяющая повысить эффективность использования каналов ТС по интегральному критерию. В отличие от аналогичных методов, предложено использовать относительно простой и менее трудоемкий метод получения максимально эффективного распределения трафика ТС, основанный на графовом алгоритме и линейном программировании (стр. 94-95).

5. Разработана система управления перегрузкой ТС на основе дискретного ПИ-регулятора, которая, в отличие от аналогов, опирается на расчетные эталонные значения параметров регулирования и зависит от интенсивности и закона

распределения входного информационного потока Проведен анализ устойчивости полученной системы и получены в явном виде ограничения, накладываемые на пропорциональные коэффициенты ПИ-регулятора (стр. 106, 118).

Научная значимость исследования заключается в совмещении моделей теории систем массового обслуживания, теории надежности и теории телетрафика в единую интегральную модель, позволяющую получить количественные оценки характеристик эффективности функционирования информационной системы с целью последующего управления происходящими в ней процессами обработки и транспортировки информации.

Практическая значимость исследования состоит в предложенных инженерных методиках управления распределением трафика и использованием вычислительных и канальных ресурсов узлов ТС, основанных на рассмотренных в работе математических моделях, представленных в виде алгоритма для последующей реализации в виде программного продукта. Предложенная система управления перегрузкой узла ТС может быть использована в качестве дополнения к средствам активного управления очередью.

Внедрение и использование результатов работы. Полученные в работе результаты использованы:

1. В учебном процессе кафедры радиотехнических и телекоммуникационных систем Инженерно-технологической академии ЮФУ в виде лабораторного практикума по дисциплине «Сетевые информационные технологии» для магистрантов направления 210700.68 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

2. В производственном процессе ООО «Цифровой Диалог-Т» при оценке параметров функционирования телекоммуникационной сети интернет-провайдера, а также при настройке протоколов динамической маршрутизации.

3. В производственном процессе ООО «Альянс Телеком» при моделировании функционирования узлов для нахождения «узких мест» телекоммуникационной сети, а также при оптимизации использования ресурсов узлов по основным критериям производительности.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «КРЭС-2006» (г. Таганрог, 2006), Международных научно-технических и научно-методических интернет-конференциях в режиме off-line «Проблемы современной системотехники» (г. Таганрог, 2008, 2009, 2011, 2012), Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного Федерального округа "Студенческая лаучная весна-2009" (г. Новочеркасск, 2009), XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2010), Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного Федерального округа "Студенческая научная весна-2010" (г. Новочеркасск, 2010), Международной научно-технической конференции "Перспективы развития навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, GALILEO" (г. Донецк, 2010), X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2010), 15-ом Юбилейном Международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке» (г. Харьков, 2011), XII Международной научно-технической конференции "Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТиТТ-2011" (г. Казань, 2011), VIII Ежегодной

научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2012), X Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление - ИТСАиУ-2012» (г. Таганрог, 2012), IX Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2013), XIV Международном научно-практическом семинаре «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы» (г. Донецк, 2013).

Публикации. По материалам работы опубликовано 26 печатных работ, из них 4 - в рецензируемых научных журналах из перечня рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание изложено на 180. страницах, включая библиографический список из 129 наименований, приложение изложено на 19 страницах, включает коды программ, реализующих математические модели. Работа иллюстрирована 11 таблицами, 49 рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика проблемы управления телекоммуникационной сетью,, обоснована актуальность темы, поставлены цели и задачи работы, представлена их научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе был проведен анализ современных концепций сетевого администрирования, результатом которого стало определение функциональных и логических уровней, на которых осуществляется непосредственное управление трафиком телекоммуникационной сети (ТС). Были исследованы механизмы сбора данных b функционировании ТС и выделены исходные параметры для организации процесса управления. Детальный анализ метрик производительности ТС, регламентированных SLA, позволил формализовать критерии оценки эффективности функционирования ТС для дальнейшего их использования в качестве целевых показателей в процессе управления трафиком.

На основе формализованных критериев была произведена декомпозиция ТС на ряд подсистем, непосредственно влияющих на каждый из показателей качества SLA; Были отмечены функциональные связи между рассматриваемыми подсистемами ТС, выявлены основные зависимости для регулируемых параметров и обоснован выбор математического аппарата для последующего анализа каждой из них.

Выделенные подсистемы были рассмотрены с позиции теории управления сложными объектами, что позволило обосновать необходимость синтеза моделей функциональных подсистем с целью их последующего объединения в интегральную модель управления трафиком ТС. !

Вторая глава отражает результаты. адаптации математического аппарата нескольких областей научного знания.

Для управления использованием вычислительных и канальных ресурсов узлов ТС была предложена модель, основанная на математическом аппарате теории массового обслуживания, учитывающая влияние,неординарного информационного потока. В отличии от аналогов, предложенная модель позволяет учитывать особенности многопроцессорной архитектуры аппаратно-программных средств,

дифференцируя значения интенсивностей обслуживания групп разных размеров. Преодоление классического ограничения удалось добиться путем представления

I

неординарного информационного потока суммой простейших: Л - , при

1=1

I

= 1, где О/ — вероятность появления группы протокольных блоков (ПБ) размера

(-1

Л, - интенсивность поступления групп ПБ размера /.

Для трехмерного графа состояний системы были составлены дифференциальные уравнения Колмогорова, решение которых в статическом режиме позволило оценить основные параметры производительности моделируемой системы. Стационарные вероятности состояний системы М'/М2 /т/т/М могут быть найдены как:

1

Рт '

И гж

¿ЛмА* I С'иР'г X с'иР[

».0 У-« \ /-0 Л

. Р¥ = С'нСмСмР[р{р1ъР<т>

где С"и =—гт-~—г-, п = г,},к - биномиальные коэффициенты; Г.] - операция взятия п\{М—п)1

целой части числа; р, - коэффициент загрузки системы одиночными ПБ; М,

/?2=—^ - коэффициент загрузки системы парными ПБ; А=— — коэффициент

Мг ГН

загрузки системы тройными ПБ; Х\ - интенсивность поступления одиночных ПБ; Л^ -интенсивность поступления парных ПБ; Я} - интенсивность поступления тройных ПБ; Ц\ - интенсивность обработки одиночных ПБ; — интенсивность обработки парных ПБ; /1} - интенсивность обработки тройных ПБ; т - количество обслуживающих приборов.

Предложенный метод описания узлов ТС может быть обобщен для учета групп протокольных блоков размера от 1 до и путем конструирования и расчета состояний и-мерного графа состояний системы. Достоверность полученных выражений подтверждена возможностью их сведения к формуле Эрланга для простейшего потока. В качестве характеристики производительности системы и целевой функции при управлении было предложено использовать абсолютную пропускную способность:

ЛО"^). приот = 1,

иО-^ + ^О-^-^+ЗЯ.О-/».-^-^). притгЗ,

где Рт = У.У.У.Р^ — вероятность того, что все обслуживающие приборы заняты (в

к j I

системе находится т ПБ) при 3£ + 2у + ; = ти; РтА - вероятность того

■ к / I

что свободен только один обслуживающий прибор (в системе находится т-1 ПБ) при

ЗА' + 2_/ + / = т -1; = ХХХЛг* веРоятность того, что свободно только два

к 1 I

обслуживающих прибора (в системе находится т-2 ПБ) при Зк + 2] + /' = т - 2.

В качестве варьируемого параметра выступает количество обслуживающих приборов, на которое накладываются ограничения при управлении. Таким образом, в зависимости от интенсивности информационного потока и его насыщенности (неординарности), зная характеристики быстродействия сетевого оборудования, становится возможным управление количеством задействованных вычислительных блоков:

/ ч \тй т ,

Исходя из проведенного анализа применяемых в ТС механизмов активного управления очередью (А(}М), было предложено дополнить существующие правила выстраивания очередей посредством динамической составляющей. Предложенный подход позволяет планировщику очередей учитывать не только статический приоритет, но и «старение» протокольного блока (ПБ), выражающееся в изменении абсолютного приоритета во времени. В качестве целевой функции при управлении очередью на узле ТС было предложено использовать среднее значение времени ожидания обслуживания ПБ определенного приоритета:

——

f 1. \

- 1 -Ьга"У>

1-2>, - >

ь,аур J

где 1У0 - математическое ожидание времени, необходимого для завершения

обслуживания текущего требования; /£> = —— коэффициент загрузки системы ПБ из

Л

¿-го класса приоритета; IV, — математическое ожидание времени ожидания обслуживания ПБ из ¿-го класса приоритета; Ър - мгновенный приоритет ПБ; а -коэффициент штрафа за задержку в обслуживании ПБ в единицу времени; хр -длительность обслуживания ПБ.

Чувствительность к «старению» ПБ определенного типа Ь может быть

изменена сетевым администратором с целью перераспределения и повышения эффективности использования канального ресурса Таким образом, становится возможным управление планировщиком очередей в реальном времени и перераспределение канального (вычислительного) ресурса между классами (потоками) ПБ:

^Л^,Р,Рр,ар,ур,Ьр)-> пип,

где

П:

0 <i /7 < 1,

T.ZT.*,

Р . Р '

при

г>А=бА

при t = f„

'А р р

а,

при tp*t,\

tp и t, — моменты поступления р-то и /-го ПБ в систему; Тр — математическое ожидание времени пребывания в системе ПБ из р-го класса приоритета; Тр * -предельно допустимое время пребывания ПБ из р-го класса приоритета в системе.

Результатом такого управления станет минимизация времени обслуживания чувствительного к задержкам трафика при соблюдении требований SLA для остальных классов ПБ. Предложенная модель может быть воплощена в программном продукте и применена совместно с существующими средствами AQM, дополняя их введением динамического приоритета, что не исключает применение стандартных планировщиков, а также алгоритмов отбрасывания ПБ.

В рамках проведенного исследования было предложено оценивать надежность подсистем ТС посредством интегрального коэффициента готовности, учитывающего информационную (Кп), аппаратно-программную (КГ2) и диагностическую (Кп) составляющие: '

Кг — КпКпКп - при совместной реализации событий, Кг =aiKn+a1Kn+a3Kn - при раздельной реализации событий,

/Л

где Кг.=1--

"м m\mK

JL.

Кп =

частные коэффициенты готовности; р =--коэффициент использования (загрузки)

И

системы; Л — интенсивность поступления ПБ; /л - интенсивность их обработки; Мх

~~кЦМ—~k)\ ~ ®иномиальные коэффициенты; К — максимальное количество ПБ в

системе; m - количество обслуживающих приборов; Лт - интенсивность отказов; - интенсивность восстановлений; а, +а2 +а} = 1 - весовые коэффициенты.

Предложенная в диссертации модель позволяет учесть как совместное, так и раздельное влияние информационных перегрузок, аппаратно-программных сбоев и ошибок I и II рода на производительность подсистемы ТС, что позволит системному администратору на ее основе компромиссно принимать решения по обеспечению требований SLA. Основной задачей управления надежностью является обеспечение

заданного уровня готовности подсистемы ТС, на который оказывают влияние ряд параметров, подлежащих варьированию: объем буферной памяти, интенсивность (время) восстановления, период (само)диагностирования вычислительных устройств.

теЛ

где

Ma ^ /'»тал» Мл ^ /'»пил» q , Млач ^ /'»дспшх» Мяк ^ Мцктш>

Л) - интенсивность отказов в дежурном режиме; Дф - интенсивность отказов в рабочем режиме; fit - интенсивность восстановления системы диагностическим сервисом; - интенсивность восстановления системы и диагностического сервиса после ошибок I и II рода; РЛ0 - вероятность классификации исправной системы как неисправной (ошибка I рода); Рно - вероятность необнаружения отказа системы (ошибка II рода).

В результате моделирования было установлено, что на каждый из варьируемых параметров должны быть наложены ограничения в виде области допустимых значений, являющиеся ресурсами при управлении.

Результатом проведенного анализа протоколов динамической маршрутизации стало обоснование необходимости использования математической модели для количественной оценки эффективности распределения трафика в ТС. В качестве такой модели было предложено использовать транспортную задачу линейного программирования, исходными данными для которой станут собираемые протоколом SNMP данные о пропускных способностях каналов, задержках при передаче, количестве ошибок на интерфейсе и т.д. Дополнительными данными также могут быть стоимость передачи, топология. сети и другая информация, влияющая на распределение трафика в ТС. Все перечисленные выше критерии составляют интегральный «стоимостной» коэффициент для каждой линии связи (JIC):

Су = acbv-pcdv-YcrrScc4, где cbv - «стоимость» линии связи, основанная на ширине канала (стандартная метрика, вычисляемая протоколом OSPF для каждой JIC); cdtJ - задержка при передаче; сгц - надежность канала связи; сс0 - затраты на передачу единицы информации по выбранному каналу связи; а, /}, у, 8 - весовые коэффициенты.

Средние значения объемов передаваемых а, и принимаемых Ь} данных для

каждого узла могут быть вычислены на основе статистики утилизации (использования) каналов. Результатом применения транспортной задачи является получение максимально эффективного плана W = ||wtf | распределения потоков

трафика, минимизирующего суммарную «стоимость» передачи всего объема информации в выделенном фрагменте ТС:

ZiXn^miп,

.... ».са

1=1 j-1

где

П:

2>„=а„ / = 1,2,...,М, >1

и'^О, / = 1,2,...,М, у = 1,2,...,М, ./ = 1,2,...,^.

У=1

Предложенная методика расчета интегральных «стоимостных» коэффициентов может быть применена в качестве метрики ЛС для тонкой настройки протоколов динамической маршрутизации, поддерживающих балансировку нагрузки, тем самым повышая эффективность использования ресурсов ТС.

В третьей главе в качестве одного из возможных применений полученных в работе моделей подсистем ТС было предложено синтезировать схему системы управления перегрузкой узла ТС.

В результате анализа ряда работ, посвященных применению автоматизированных систем управления в подсистемах ТС, было получено разностное уравнение, описывающие функционирование разрабатываемой системы, в основе которой находится дискретный ПИ-регулятор:

. : ^ (А: +1) = ^ (¿) - ^ (Л) - л: (Л)), А = где д(к) - длина очереди в буфере в момент времени Ь, А(к) - абсолютная пропускная способность узла в момент времени к - количество ПБ, которые будут обслужены за время от к до (£ + 1); Л(к) - количество ПБ, поступающих на обслуживание за время от к до (¿+1); х(к) = Л(к)-и(к) - количество ПБ, которые должны быть отброшены с помощью одного из стандартных алгоритмов, с учетом динамического приоритета; .-

О, лс < О

5 (х) = ■ х, 0<х< 17^ - ограничения на длину очереди.

Ятах > ^ ** Ятях

Регулятор описывается уравнением

и(к) = *,(е(к) + р(к)), где и (к) - объем данных, отправленных в буфер и оставленных на облуживание за момент времени от к до (¿ + 1) (управление); р(к + \) = р{к) + е(к) -вспомогательная переменная; е{к) = д-д{к) - отклонение от целевого значения (ошибка регулирования);

ГО, *<0

5и (х) = ) х> 0 < л- < ипшх - ограничение, накладываемое на значения управления. "...}

В качестве регулирующего параметра была использована средняя длина очереди д, интегральное значение которой было получено с использованием предложенных в работе моделей подсистем ТС. С помощью графической среды имитационного моделирования БипиПпк была построена модель системы (рисунок 1) и получены временные диаграммы информационных процессов, описывающие характер переходных процессов.

пропускной способностью узла.

Для анализа предложенной системы на устойчивость были составлены дискретные передаточные функции для разомкнутой и замкнутой системы автоматического регулирования, на основании которых было получено характеристическое уравнение системы. Исходя из условия устойчивости дискретных линейных систем, для пропорциональных коэффициентов ПИ-регулятора были получены области допустимых значений. Количество отбрасываемых ПБ, полученное с помощью данной схемы, может быть применено совместно с динамическим приоритетом для выполнения интеллектуальной фильтрации трафика в случае перегрузки.

В четвертой главе предложена инженерная методика управления трафиком ТС, с помощью которой проведена апробация предложенных в работе математических моделей подсистем.

Исследование типовой структуры ТС интернет-провайдера позволило установить функциональную область и средства применения предложенных в работе моделей управления трафиком ТС: уровень агрегации и функционирующие на нем динамические протоколы маршрутизации ОЭРР и ЕЮЯР. В соответствии с выбранной областью был рассмотрен фрагмент ТС интернет-провайдера, для которого были собраны и обработаны данные об объемах пересылаемой информации для каждого узла, а также параметры ЛС. На основании имеющихся данных о топологии, емкостях каналов, стоимости и надежности ЛС была рассчитана матрица интегральных «стоимостных» коэффициентов, которые могут быть использованы в качестве метрик для тонкой настройки динамических протоколов маршрутизации. Для оценки эффективности предложенной методики расчета интегральных весовых коэффициентов ЛС для протоколов динамической маршрутизации с помощью транспортной задачи линейного программирования получен максимально

л-£, | да

0.900 ■

0.800

0.700

0.600 -

0,500

0.400 •

0.300 -

0,200

0.100

0,000

Сетевые устройства

Рисунок 2 - Коэффициенты эффективности использования канальных ресурсов сетевыми устройствами исследуемого фрагмента ТС интернет-провайдера.

i...........

-

-

i

1 ... ... ... ...

I.I ш

_____,........,. ... ... ...________

эффективный план

распределения трафика в исследуемом фрагменте ТС интернет-провайдера. Сравнение текущего и расчетного распределений позволило

оценить

использование канальных

ресурсов в исследуемом фрагменте ТС с помощью введенных коэффициентов

эффективности отдельных сетевых устройств (рисунок 2).

Корректность расчетов была подтверждена выполнением условий баланса трафика распределения потоков трафика позволяет ТС интернет-провайдера к возможным

Реализация рассчитанного плана подготовить исследуемый фрагмент экстремальным воздействиям как со стороны информационной, так и окружающей сред.

Рассмотрение отдельного узла фрагмента ТС интернет-провайдера с точки зрения теории СМО позволило получить количественные оценки эффективности функционирования исследуемого объекта. В соответствии с моделями, предложенными в разделах 2.1 и 2.3, были рассчитаны абсолютные пропускные способности и вероятности отказов для каждого из узловых коммутаторов до и после реализации предложенной методики управления функционированием узла ТС (рисунок 3). Возможность учета их совместного влияния на производительность системы в целом позволила рассчитать ограничения на интенсивности информационных потоков, накладываемые для сохранения заданного в SLA уровня потерь информации (рисунок 4).

"AW). A0J1 (») ">(«) Ого)

-АЛ1Х Л(/Л (после) -ЛОВ (посте)

о S А. Мбит/с

Pomii).

Рош/J) (До)

•• P'Jltf/.:;

- Сю)

—

(после)

а б

Рисунок 3 — Абсолютные пропускные способности (а) и вероятности отказов (б) для каждого из узловых коммутаторов до и после реализации предложенной методики управления функционированием узла ТС.

Рисунок 4 - Область допустимых значений А,, Л2, Aj.

Предложенные методики

управления трафиком ТС были сведены в единый алгоритм, который может быть реализован в программном модуле в составе интеллектуальной платформы поддержки сетевого администратора. Блок-схема данного алгоритма приведена на рисунке 5.

Таким образом, в результате проведенного исследования была разработана и апробирована интегральная модель системы управления трафиком ТС, основанная на математических моделях отдельных функциональных подсистем, входящих в состав ТС, позволяющая адекватно варьировать ее параметрами для обеспечения требований SLA.

В заключение диссертации приводится перечень основных результатов и следующих из них выводов.

В приложениях представлены: исходные данные и промежуточные результаты расчета максимально эффективного плана распределения трафика в исследуемом фрагменте ТС; листинг программы на языке Delphi, разработанной для компьютерного моделирования процедур построения матрицы путей и матрицы смежности ТС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен анализ современных концепций сетевого администрирования, результатом которого стала формализация процесса управления трафиком ТС, выделение показателей эффективности и протокольных средств, на которых оно должно быть основано. Рассмотрение ТС с позиций теории управления сложными объектами позволило провести ее декомпозицию на ряд функциональных подсистем, характеристики которых соответствуют критериям SLA, и выделить основные этапы управления. Были отмечены функциональные связи между рассматриваемыми подсистемами ТС, выявлены основные зависимости для регулируемых параметров и обоснован выбор математического аппарата для последующего анализа каждой из них.

2. Разработана математическая модель узла ТС, основанная на математическом аппарате теории массового обслуживания, позволяющая получить оценки ключевых характеристик функционирования, в отличие от аналогов учитывающая влияние степени неординарности информационных потоков в базисе введенной их аддитивной аппроксимации.

3. Предложена модель планировщика очередей на обслуживание, позволяющая учесть «старение» ПБ, выражающееся в изменении абсолютного приоритета во времени. Чувствительность к «старению» ПБ определенного типа может быть изменена сетевым администратором с целью перераспределения и повышения эффективности использования канального ресурса.

с

Начало

3

/Сбор информации о структуре ТС, оборудовании, утилизации каналов, характеристик ЛС с помощью стандартных _протюеолов_

Расчет объемов принимаемой и передаваемой #< информации для каждого _сетевого устройства_

Расчет матрицы интегральных коэффициентов с,у

Расчет максимально эффективного плана распределения т

Сбор дополнительной информации о структуре узлов .. ТС, оборудовании, утилизации' каналов с помощью стандартных протоколов

Построение моделей, вычисление основных показателей функционирования _системы: А „ах, Яотк, А

сравнение полосы су мм арного44«*^ Нет

Рисунок 5 - Общий алгоритм управления трафиком ТС.

4. Впервые предложена математическая модель узла ТС, позволяющая получить оценку параметров надежности в виде интегрального коэффициента готовности, учитывающая влияние информационной и окружающих сред, а также характеристик диагностического сервиса как при совместной, так и при раздельной реализации неблагоприятных событий.

5. Предложена модель управления распределением трафика в ТС, основанная на транспортной задаче линейного программирования. В качестве «стоимостных» коэффициентов предложено использовать интегральную оценку ЛС, учитывающей особенности топологии, надежность, задержку и утилизацию каналов ТС.

6. Синтезирована схема системы управления перегрузкой узла ТС на основе дискретного ПИ-регулятора, для которой были получены области допустимых значений пропорциональных коэффициентов. Моделирование функционирования предложенной схемы подтвердило достоверность расчета значений весовых коэффициентов и адекватность разработанных математических моделей. Сравнение результатов моделирования предложенной схемы со стандартизованным алгоритмом показало такие преимущества использования ПИ-регулятора как устойчивость управления по отношению к внешнему возмущению и возможность автоматической настройки в соответствии с параметрами трафика.

7. Разработана инженерная методика управления трафиком ТС для повышения эффективности процессов транспортировки информации, основанная на совместном управлении как отдельными узлами, так и всей структурой ТС. Практическая реализация предложенной методики позволила:

7.1. получить качественную оценку использования канальных ресурсов ТС интернет-провайдера путем сравнения расчетного максимально эффективного плана с текущим распределением трафика для реализации управления;

7.2. повысить эффективность использования канальных ресурсов отдельными узлами на 10-70% и подготовить исследуемый фрагмент ТС к экстремальному воздействию информационных и внешних факторов путем тонкой настройки протоколов динамической маршрутизации с применением рассчитанных интегральных весовых коэффициентов ЛС;

7.3. повысить пропускную способность отдельных узловых коммутаторов на 22% и вероятность безотказной работы на 34% путем реализации предложенной методики управления ресурсами узла ТС.

Результаты работы реализованы на ведущих предприятиях, что подтверждается актами о внедрении.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Рудь Д.Е. Технологии топологической оптимизации трафика информационных потоков в телекоммуникационных сетях [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона - 2010. - №2. - С. 95-107. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/uploads/article/doc/articles. 193.Ые image.doc.

2. Самойленко А.П., Рудь Д.Е. Интегральная модель надежности функционирования узла телекоммуникационной сети // Телекоммуникации. - 2013. -№7.-С. 23-28.

3. Рудь Д. Е. Показатели эффективности функционирования узла телекоммуникационной сети // Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Технические науки.-2013,-№4. - С. 6-10.

4. Самойленко А.П., Рудь Д.Е. Особенности управления трафиком телекоммуникационной системы при неординарном входном информационном потоке // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2013. -№3,T.l 1. - С. 53-60.

Работы, опубликованные в других журналах и сборниках:

5. Рудь Д.Е., Емельяненко A.A. Формирование эмпирической модели на данных критически малых выборок // Тезисы докладов VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «КРЭС-2006». - Таганрог; Изд-во ТРТУ, 2006. -С. 22-23.

6. Самойленко А.П., Рудь Д.Е. Беспроводная система контроля состояния подвижного железнодорожного состава // Материалы Международной научно-технической и научно-методической интернет-конференции в режиме off-line «Проблемы современной системотехники». - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. -С. 129-133.

7. Колыхан Н.В., Рудь Д.Е., Мугинштейн P.C. Аппаратно-прграммные средства организации динамического управления информадионными потоками с составных сетях // Программа пятьдесят шестой студенческой научной конференции ТТИ ЮФУ. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - С. 10.

8. Рудь Д.Е. Информационная модель адаптивного мультиплексора системы динамического управления потоками данных // Студенческая научная весна-2009: материалы Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного Федерального округа / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009. - С. 67-68.

9. Самойленко А.П., Рудь Д.Е. Классификационный мониторинг методов оптимизации транспортировки информации И Материалы Международной научно-технической и научно-методической интернет-конференции в режиме off-line «Проблемы современной системотехники». — Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. -С. 99-104.

10. Рудь Д.Е., Самойленко А.П. Адаптивная диспетчеризация информационных потоков в телекоммуникационной среде // Материалы XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Информационные технологии / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2010. -С. 66.

11. Рудь Д.Е. Методы оценки значимости элементов структуры телекоммуникационной сети // Студенческая научная весна-2010: материалы региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2010.-С. 70-71.

12. Рудь Д.Е. Метод управления информационными потоками в телекоммуникационных сетях// Неделя науки - 2009: Материалы научных работ. -Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - С. 20-26.

13. Самойленко А.П., Рудь Д.Е. Модели функционирования дифференциальной станции в составе навигационной телекоммуникационной сети Н

Рассеяние электромагнитных волн: Межвед. сб. науч.-техн. статей. - Вып. 16 / Под ред. Ю. В. Юханова. - Таганрог: ТГИ ЮФУ. 2010. - С. 72-85.

14. Самойленко А.П., Рудь Д.Е. Анализ прикладной значимости математических моделей трафика телекоммуникационных систем навигационного назначения// Перспективы развития навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, GALILEO: материалы международной научно-технической конференции - Донецк: ДонНТУ,2010.-С. 110-113.

15. Рудь Д.Е. Процедура поиска и упорядочивания в информационных массивах телекоммуникационных сетей// X Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления»: Сборник материалов. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. - Т.1. -С. 25-26.

16. Рудь Д.Е. Алгоритм упорядочивания больших массивов для реляторного процессора телекоммуникационных структур// X Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления»: Сборник материалов. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. -Т.1. - С. 24-25.

17. Оводенко А.В., Самойленко А.П., Рудь Д.Е. Анализ модели трафика телекоммуникационной системы навигационного назначения // Сборник научных работ Донецкого Национального Технического университета, серия «Вычислительная техника и автометизация», выпуск 20 (182). - Донецк: Изд-во ДонНТУ, 2011. -С. 156-163.

18. Рудь Д.Е. Формализация телекоммуникационной системы как объекта управления // 15-й Юбилейный Международный молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке». Сб. материалов форума. Т. 4. - Харьков: Изд-во ХНУРЭ, 2011. - С. 82-83.

19. Самойленко А.П., Рудь Д.Е. Снижение потерь информации в сетях передачи данных с помощью метода кластерной диспетчеризации потоков // Сборник трудов Всероссийской научной конференции «Теоретические и методические проблемы эффективного функционирования радиотехнических систем» («Системотехника-2011») - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. - С. 197-202.

20. Самойленко А.П., Рудь Д.Е. Метод кластерного управления информационными потоками телекоммуникационной сети // Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТиТС>2011: Материалы XII Международной научно-технической конференции - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2011. - С. 469-470.

21. Рудь Д.Е. Система управления трафиком в сетях NGN // VIII Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН: Тезисы докладов. Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2012. - С. 172-173.

22. Самойленко А.П., Рудь Д.Е. Модель многоканального телекоммуникационного комплекса с групповым обслуживанием неординарного потока заявок // Сборник трудов Всероссийской научной конференции «Теоретические и методические проблемы эффективного функционирования радиотехнических систем» («Системотехника-2012») - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012.-С. 25-34.

23. Самойленко А.П., Рудь Д.Е. Модель диагностического сервиса поддержки работоспособности узла телекоммуникационной сети // Сборник трудов X Всероссийской конференции молодых ученых аспирантов - и студентов

\\

«Информационные технологии, системный анализ и управление - ИТСАиУ-2012». -Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2012 - Т. 1. - С. 69-73.

24. Рудь Д.Е., Самойленко А.П. Моделирование систем управления телекоммуникационным комплексом: лабораторный практикум по дисциплине «Сетевые информационные технологии». - Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2012. - 63 с.

25. Рудь Д.Е. Влияние неординарности трафика на функционирование телекоммуникационной системы // IX Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН: тезисы докладов конференции. - Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2013. - С. 126-127.

26. Самойленко А.П., Рудь Д.Е. Метод оценки загрузки телекоммуникационной системы в условиях нарушения ординарности информационного потока // Материалы четырнадцатого международного научно-практического семинара «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы». - Донецк: ДонНТУ, 2013. -Т.2. - С. 150-155.

27. Рудь Д.Е. Программный процессор маршрутной оптимизации при формировании виртуального канала межсетевого пространства // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013615058 от 27.05.2013. Москва. - Федеральная служба по интеллектуальной собственности.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве:

[2] - разработка надежностной модели узла ТС, получение функциональных зависимостей; [4] — разработка л-мерной марковской модели системы массового обслуживания, получение обобщенных выражений для вероятностей состояний систем вида М^/М^/т и М*/М* /т ; [5] - выполнение имитационного моделирования случайных процессов; [6] - проектирование локальной сети системы контроля состояния подвижного железнодорожного состава; [7, 13] - проектирование функциональной схемы реляторного процессора для диспетчеризации очередей протокольных блоков на узлах ТС; [9, 10, 14] - анализ существующих математических моделей процесса маршрутизации в ТС; [17] - разработка модели рандомизированной системы массового обслуживания; [19, 20] - разработка модели динамической диспетчеризации очередей протокольных блоков на узлах ТС; [22] -моделирование функционирования узла ТС при неординарном входном информационном потоке в динамике; [23] - разработка модели СМО, учитывающей влияние вероятностей ошибок I и II рода на характеристики надежности; [24] -имитационное моделирование предложенных ранее авторских моделей в среде Matlab; [26] - разработка аналитического метода оценки эффективности функционирования узла ТС при неординарном входном информационном потоке.

Соискатель

Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Усл. п.л. - 1,1. Уч.- изд. л. - 1,2. Тираж 100 экз. Заказ № £93

Усл. пл.-1,1. Тираж 100 экз.

ГСП 17А, Таганрог, 347928, Некрасовский, 44, Типография Южного федерального университета

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

0429145с/'с-л

На правах рукописи

Рудь Дмитрий Евгеньевич

МЕТОД МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ИНТЕГРАЦИИ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТРАФИКОМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ

Специальность

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (вычислительная техника и информатика)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Лобач В.Т.

Таганрог-2013

Содержание

Введение.......................................................................................................................4

1 Анализ причин обострения проблем системного управления функционированием телекоммуникационных сетей (ТС).......................................12

1.1 Телекоммуникационная сеть как объект сетевого администрирования . 12

1.1.1 Модели сетевого управления TMN и FCAPS...............................13

1.1.2 Метрики производительности ТС.................................................18

1.1.3 Протоколы управления ТС............................................................21

1.2 Анализ подсистем управления трафиком ТС с позиций критериев качества SLA.....................................................................................................24

1.2.1 Задержки передачи данных...........................................................25

1.2.2 Допустимый уровень потерь информации...................................29

1.2.3 Скорость доступа к ресурсам сети................................................30

1.2.4 Надежность и время восстановления системы.............................31

1.3 Администрирование ТС с позиции теории управления сложными

объектами..........................................................................................................32

Выводы..............................................................................................................40

2 Синтез моделей управления подсистемами ТС.....................................................42

2.1 Модель управления производительностью узла ТС.................................42

2.2 Модель управления очередями на узлах ТС.............................................54

2.3 Модель управления надежностью узла ТС...............................................68

2.3.1 Информационная и аппаратно-программная надежность...........69

2.3.2 Надежность диагностического сервиса........................................78

2.4 Модель управления структурой ТС...........................................................85

2.4.1 Анализ протоколов динамической маршрутизации....................86

2.4.2 Идентификация параметров модели.............................................92

Выводы............................................................................................................100

3 Синтез управления трафиком ТС.........................................................................102

3.1 Формализация управления.......................................................................102

3.2 Система управления перегрузкой узла ТС..............................................105

Выводы............................................................................................................124

4 Анализ моделей управления трафиком ТС..........................................................125

4.1 Постановка задач синтеза методик управления трафиком ТС..............125

4.2 Инженерная методика управления распределением трафика в ТС.......129

4.3 Инженерная методика управления использованием вычислительных и

канальных ресурсов узла ТС..........................................................................145

Выводы............................................................................................................157

Заключение...............................................................................................................159

Список сокращений и условных обозначений.......................................................165

Библиографический список.....................................................................................168

Приложение 1...........................................................................................................181

Введение

Актуальность темы исследования. В настоящее время мировая телекоммуникационная индустрия претерпевает революционные изменения. Постоянное развитие информационных технологий, появление новых аппаратно-программных комплексов ставят перед операторами и провайдерами телекоммуникационных услуг сложные задачи в части управления функционированием объектов связи, основная цель которого заключается в поддержании нормативного качества оказания услуг и функционирования сетей.

Для поддержания заданного уровня качества услуг, оговоренного соответствующим соглашением (Service Level Agreement - SLA), необходима автоматизация контроля, мониторинга и управления разнородным оборудованием и системами связи на основе единых принципов. Используемые сегодня технологии управления процессами в телекоммуникационных сетях (ТС) в рамках стандартизованных концепций сетевого администрирования не позволяют провести качественный и количественный анализ эффективности используемых средств, что является серьезной проблемой при создании автоматизированной системы управления трафиком ТС.

Решением сложившейся проблемы эвристического описания процесса управления ТС может стать адаптация математического аппарата нескольких областей научного знания для создания адекватной модели объекта. С ее помощью станет возможным получение качественной и количественной оценок эффективности функционирования ТС по совокупности критериев для последующего осуществления управления в соответствии с требованиями SLA.

Степень научной разработанности проблемы. Известен ряд работ, в которых были предприняты попытки адаптации различных математических теорий для описания функционирования ТС. Среди них Д. Бертсекас и Р. Галлагер [5], М. Шварц [96], В. М. Вишневский [14], Н. Н. Мошак [49],

В. Г. Лазарев [40], Л. Б. Богуславский [8], однако предложенные математические модели неприменимы по ряду причин для описания современных ТС.

Основным математическим аппаратом для описания процессов функционирования ТС является теория систем массового обслуживания (СМО). Классическими работами в области теории СМО являются труды Л. Клейнрока [33, 34], А. Кофмана и Р. Крюона [36], Б. В. Гнеденко и И.Н.Коваленко [19], Л. А. Овчарова [54]. В указанных работах были предприняты попытки преодоления ограничений пуассоновского потока, однако ни одна из них не была применена для описания многопроцессорных систем обработки трафика.

Вопросам анализа и оценки надежности систем и информационных сетевых структур посвящено немало исследований. Так в известных работах Б. Я. Советова и С. А. Яковлева [88], Б. П. Филина [93], А. М. Половко [58, 62] предложены различные методы анализа надежности технических и информационных систем. Однако вопросам влияния надежности диагностического сервиса на функционирование систем не было уделено достаточно внимания, в то время как получение интегральной оценки невозможно без комплексного анализа всех факторов, оказывающих влияние на характеристики производительности информационно-технической системы.

Среди многообразия литературы по синтезу и исследованию систем автоматического управления стоит отметить ряд работ, в которых были рассмотрены дискретные системы, а также были предприняты попытки их моделирования с помощью программных сред. К их числу можно отнести работы следующих авторов: X. Квакернаака, Р. Сивана [32], А. А. Колесникова [35], N. S. Nise [120], D. Xue, Y. Q. Chen, D. P. Atherton [128], J. J. D'Azzo, С. H. Houpis, S.N.Sheldon [109]. Результатом анализа их работ стало обоснование необходимости использования систем автоматического регулирования при синтезе систем управления исследуемым объектом.

Следует отметить, что, несмотря на большое количество попыток изложения инженерных методик по проектированию и последующему управлению ТС, процесс сетевого администрирования по-прежнему остается

искусством, зависящим от опыта и эрудиции инженера. Рекомендации производителей оборудования по настройке аппаратно-программных средств оторваны от математических моделей функционирования ТС, что выражается в отсутствии методик качественной и количественной оценок эффективности функционирования ТС. В свою очередь, предлагаемые в литературе математические модели не могут с достаточной точностью описать процессы функционирования отдельных подсистем и устройств, не говоря уже о ТС в целом. Таким образом, возникает задача адаптации и актуализации наиболее проработанного математического аппарата, дополненного общей теорией надежности, и совмещения его с теорией автоматического управления для получения интегральной модели системы управления трафиком ТС.

Целью диссертационного исследования является разработка и исследование комплексной модели системы управления трафиком телекоммуникационной сети.

Реализация поставленной цели предполагает решение следующих задач:

- провести анализ существующих концепций и протоколов управления, а также критериев (метрик), характеризующих функциональные элементы ТС;

- разработать математические модели функционирования подсистем ТС для последующего их объединения в интегральную модель;

- провести имитационное моделирование предложенных математических моделей с целью оценки их адекватности;

- разработать инженерную методику управления трафиком ТС.

Объектом исследования являются телекоммуникационные сети (сети

передачи информации).

Предметом исследования выступает система управления трафиком ТС.

Теоретико-методологическая основа исследования. Для достижения поставленных задач применялись методы системного анализа, математического программирования, вычислительной математики, системного проектирования. В основе разработанных моделей лежат: теория систем массового обслуживания, теория надежности и теория графов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты проведенного анализа концепций, протокольных средств и критериев процесса сетевого администрирования. Рассмотрение ТС как сложного объекта управления и декомпозиция ее на отдельные подсистемы с выделением основных показателей качества их функционирования. Обоснование выбора соответствующего математического аппарата для каждой из подсистем, описывающего процессы обработки и распределения информации (стр. 24, 36-38).

2. Адаптация математических моделей подсистем ТС в соответствии со спецификой архитектуры современных аппаратно-программных средств. Предложенные модели учитывают влияние неординарности входного информационного потока, характеристик потоков отказов и восстановлений, а также показателей надежности диагностического сервиса на производительность системы (стр. 53, 78, 84).

3. Модель планировщика очередей на обслуживание протокольных блоков, основанная на динамической диспетчеризации, учитывающая изменение приоритета во времени, позволяющая перераспределять канальный ресурс между различными типами трафика (стр. 67).

4. Метод расчета интегральных весовых коэффициентов линий связи для тонкой настройки протоколов динамической маршрутизации. Получение максимально эффективного плана распределения трафика посредством инструментария теории графов и транспортной задачи линейного программирования на основе рассчитанных интегральных коэффициентов (стр. 94-95).

5. Применение дискретного ПИ-регулятора в системе управления длиной очереди на узле ТС с учетом априорных значений параметров, полученных с использованием предложенных ранее моделей. Расчет ограничений, накладываемых на пропорциональные коэффициенты ПИ-регулятора с целью сохранения устойчивости системы (стр. 106, 118).

6. Инженерные методики управления распределением трафика, производительностью и надежностью узлов ТС, основанные на предложенных в работе математических моделях (стр. 143, 155).

Достоверность и обоснованность диссертационного исследования подтверждена: соответствием полученных выражений основным законам теории массового обслуживания, теории надежности; результатами имитационного моделирования функционирования предложенной системы управления перегрузками узла ТС; успешным практическим применением предложенной инженерной методики управления трафиком ТС.

Научная новизна диссертационного исследования:

1. Предложена модель узла ТС, позволяющая учесть влияние неординарного стационарного информационного потока на производительность системы, основанная на математическом аппарате теории массового обслуживания. Предложенная модель, в отличие от аналогов, позволяет учесть особенности многопроцессорной обработки групп протокольных блоков различного размера (стр. 50, 53).

2. Предложена модель узла ТС, позволяющая учесть влияние внешних факторов, выраженных в виде потока отказов, и интенсивности диагностического сервиса на надежность функционирования системы, отличающаяся возможностью учета вероятностей возникновения ошибок I и II рода (стр. 84).

3. Для поддержания заданного уровня качества обслуживания трафика на узлах ТС во время перегрузок предложено выстраивать очереди на обслуживание на основе динамического приоритета протокольных блоков с возможностью ручной регулировки. Доказано, что за счет учета «старения» протокольных блоков и ручной регулировки планировщика возможно сохранение заданного уровня качества обслуживания при кратковременных перегрузках на узлах ТС (стр. 67).

4. Предложена модель структуры ТС, позволяющая повысить эффективность использования каналов ТС по интегральному критерию. В отличие от аналогичных методов, предложено использовать относительно

простой и менее трудоемкий метод получения максимально эффективного распределения трафика ТС, основанный на графовом алгоритме и линейном программировании (стр. 94-95).

5. Разработана система управления перегрузкой ТС на основе дискретного ПИ-регулятора, которая, в отличие от аналогов, опирается на расчетные эталонные значения параметров регулирования и зависит от интенсивности и закона распределения входного информационного потока. Проведен анализ устойчивости полученной системы и получены в явном виде ограничения, накладываемые на пропорциональные коэффициенты ПИ-регулятора (стр. 106, 118).

Научная значимость исследования заключается в совмещении моделей теории систем массового обслуживания, теории надежности и теории телетрафика в единую интегральную модель, позволяющую получить количественные оценки характеристик эффективности функционирования информационной системы с целью последующего управления происходящими в ней процессами обработки и транспортировки информации.

Практическая значимость исследования состоит в предложенных инженерных методиках управления распределением трафика и использованием вычислительных и канальных ресурсов узлов ТС, основанных на рассмотренных в работе математических моделях, представленных в виде алгоритма для последующей реализации в виде программного продукта. Предложенная система управления перегрузкой узла ТС может быть использована в качестве дополнения к средствам активного управления очередью.

Внедрение и использование результатов работы. Полученные в работе результаты использованы:

1. В учебном процессе кафедры радиотехнических и телекоммуникационных систем Инженерно-технологической академии ЮФУ в виде лабораторного практикума по дисциплине «Сетевые информационные технологии» для магистрантов направления 210700.68 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

2. В производственном процессе ООО «Цифровой Диалог-Т» при оценке параметров функционирования телекоммуникационной сети интернет-провайдера, а также при настройке протоколов динамической маршрутизации.

3. В производственном процессе ООО «Альянс Телеком» при моделировании функционирования узлов для нахождения «узких мест» телекоммуникационной сети, а также при оптимизации использования ресурсов узлов по основным критериям производительности.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «КРЭС-2006» (г. Таганрог, 2006), Международных научно-технических и научно-методических интернет-конференциях в режиме off-line «Проблемы современной системотехники» (г. Таганрог, 2008, 2009, 2011, 2012), Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного Федерального округа «Студенческая научная весна-2009» (г. Новочеркасск, 2009), XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2010), Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного Федерального округа «Студенческая научная весна-2010» (г. Новочеркасск, 2010), Международной научно-технической конференции «Перспективы развития навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, GALILEO» (г. Донецк, 2010), X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2010), 15-ом Юбилейном Международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке» (г. Харьков, 2011), XII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТиТТ-2011» (г. Казань, 2011), VIII Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2012), X Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление - ИТСАиУ-2012» (г.