автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Методика динамического управления загрузкой канала связи в корпоративных сетях с гарантированной доставкой данных

16

На правах рукописи

Пая ин Семен Владимирович

003470427

МЕТОДИКА ДИНАМИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЗАГРУЗКОЙ КАНАЛА СВЯЗИ В КОРПОРАТИВНЫХ СЕТЯХ С ГАРАНТИРОВАННОЙ ДОСТАВКОЙ ДАННЫХ

05.13.17 — Теоретические основы информатики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

21 т

003470427

Работа выполнена на кафедре Прикладной математики и моделирования систем Московского государственного университета печати

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Евгений Витальевич Никульчев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Асхат Ибрагимович Дивеев

Институт радиоэлектроники и информационных технологий Нижегородского государственного технического университета имени Р. Е.Алексеева

Защита состоится «18» июня 2009 г. в 13— на заседании диссертационного совета Д 212.147.03 в Московском государственном университете печати по адресу: Москва, ул. Прянишникова, 2а, зал заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП.

Автореферат разослан «15» мая 2009 г.

кандидат технических наук Михаил Евгеньевич Волович

Ведущая организация:

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

В. Н. Агеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные корпоративные компьютерные сети, построенные на IP-протоколах, используются не только для классической передачи данных, но и для обмена речевой информацией, проведения мультимедийных конференций, оперативного контроля/управления, прослушивания музыкальных записей, просмотра видеоклипов, сетевых игр и других приложений реального времени. Для телекоммуникационных систем характерна следующая ситуация. С одной стороны — создается большое количество приложений, направленных на расширение области и средств общения и обмена информации, с другой — технологии передачи данных используют протоколы, не предназначенные для гарантированной передачи данных в системах реального времени. В этой ситуации часто возникают перегрузка очередей каналов связи, а также парализация сети из-за большого количества подключений к системам реального времени.

При перегрузке канала связи пакеты помещаются в очереди, в случае переполнения очереди пакеты отбрасываются, что приводит к замедлению скорости передачи пакетов протоколом TCP/IP и потере пакетов.

Особенностью корпоративных сетей является отсутствие реальных возможностей создания новых протоколов работы сети при работе с внешней сетью и их аппаратной реализаций.

Чтобы добиться гарантии качества обслуживания от сетей, изначально на это не ориентированных, применяют QoS-архитектуру (Quality of service), которая включает в себя поддержку качества на всех уровнях стека протоколов TCP/IP и во всех сетевых элементах. Но и при этом обеспечение гарантированного качества обслуживания все равно остается самым слабым местом процесса передачи информации от источника к приемнику, т. к. QoS-архитектура представляет собой систему разделения трафика на статические, заранее определяемые классы с фиксированными приоритетами, что не даёт возможности учитывать конкретную ситуацию в данный момент времени.

Для эффективного использования статического назначения и выбора приоритетов необходимо использовать точные оценки параметров сети, что для общего случая является практически не решаемой задачей. Работы в области оделирования трафика и его характеристик велись и ведутся весьма интенсивно ак отечественными (Морозов Е.В., Шелухин О. И., Городецкий А. Я., Вишневский В. М., Осипов Б.Г.), так и зарубежными учеными (М. Кровелл, А. еставрос, Дж. Парк, С. Маккей, Э. Райт). Тем не менее, многие вопросы здесь ибо исследованы недостаточно полно, либо ориентированы на решение тносительно узких прикладных задач, существующие модели не учитывают зменения количества подключенных пользователей к системе реального ремени, т.е. реальную динамику загрузки сети.

Один из современных подходов строится на предположении фрактальности труктуры трафика, но он используется совместно с методами теории массового бслуживания и не ориентирован на реальные прикладные вопросы инамического управления корпоративными сетями.

Таким образом, разработка моделей и алгоритмов управления динамическим разделением загрузки каналов в корпоративных сетях является актуальной задачей.

Цель исследования. Разработка методики для обеспечения гарантированной доставки пакетов в узком канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений. Основные задачи исследования.

1. Обзор подходов к управлению сетями передачи данных и методов моделирования телекоммуникационных процессов.

2. Постановка задачи, учитывающая особенности корпоративных сетей с узким каналом подключения.

3. Планирование эксперимента с учетом выбора схемы сетевой структуры, объема данных и разделения трафика на классы, для последующего сбора статистических данных.

4. Обоснование выбора метода моделирования трафика.

5. Идентификация математических моделей сети в переходном процессе и режиме нормального функционирования.

6. Разработка алгоритма диспетчеризации внешнего канала с динамически изменяющимися параметрами корпоративной сети на основе моделей и характеристик интенсивности трафика.

7. Разработка методики управления динамическим разделением загрузки каналов в корпоративных сетях.

8. Внедрение и анализ результатов.

9. Выявление области эффективного применения.

Объект исследования. Корпоративные сети с ярко выраженным превалированием скорости передачи по внутренним каналам связи над скоростью передачи по выходному каналу.

Предмет исследования. Методы моделирования трафика и архитектура обеспечения гарантированного качества управления в компьютерных сетях. Методы исследования. В работе используются методы теоретической информатики, теории алгоритмов, математической теории управления, качественной теории нелинейной динамики и современные информационно-телекоммуникационные технологии. Научная новизна исследования.

1. Разработана методика управления динамическим разделением загрузки в узком выходном канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений. Что позволило достигнуть поставленную цель исследования.

2. Разработан алгоритм диспетчеризации внешнего канала с динамически изменяющимися параметрами корпоративной сети на основе моделей, учитывающих динамические характеристики интенсивности трафика.

3. Сформирована методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях с узким выходным каналом.

Практическая ценность. Результаты диссертации использованы при выполнении НИР по гранту РФФИ, проект № 08-07-00433а «Построение динамических моделей управления распределением загрузки каналов связи в вычислительных сетях».

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы для построения динамических моделей управления загрузкой каналов связи в вычислительных сетях Московского государственного университета печати. Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 5-и научных конференциях и семинарах:

- 9-й Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (г. Кемерово, 2008);

- 9-й Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Казань, КГТУ, 2008);

- II Школе-семинаре молодых ученых «Задачи системного анализа, управления и обработки информации» (Москва, декабрь, 2008);

- 15-й Международной научно-технической конференции «Информационные технологии и системы» (Нижний Новгород, апрель, 2009);

- Регулярном научно-методическом семинаре кафедры прикладной математики и моделирования систем Московского государственного университета печати.

Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6-и работах, в том числе 1 статья в журнале, входящем в Перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 112 страницах машинописного текста, и состоит из введения, четырёх глав и заключения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования, формулируются цели, задачи, объект и предмет исследования диссертационной работы, приводится научная новизна, практическая ценность и краткая характеристика основных разделов диссертации.

В первой главе проводится обзор подходов к управлению сетями передачи данных и методов моделирования телекоммуникационных процессов с целью формализации постановки задачи и обоснованного выбора методов и технологий ее решений.

Проведен анализ методов управления телекоммуникационными сетями, направленных на обеспечение необходимой пропускной способности:

- различные модели реализации QoS архитектуры: наилучшая возможная, интегральная, дифференцированная;

- алгоритмы обслуживания очередей: FIFO, Priority Queuing, Class-Based

Queuing Weighted, Fair Queuing.

Показана нерешенность вопроса программно-аппаратной реализации для мультисервисных сетей.

Рассмотрены вопросы формирования и управления очередями в сетях передачи данных. Показывается необходимость прогнозирования. Все известные решения заключаются в том, что данные прогноза о пропускной способности позволяют получить дополнительные сведения для решения задачи управления, а именно формирования алгоритма предотвращения перегрузки.

Проведен анализ публикаций по моделированию трафика на основании экспериментальных данных. Выделены следующие подходы к моделированию (С. Лэм, А. Эрланг, У. Леланд, Д. Уилсон, М. Кровелл):

- получение аналитических выражений состояния марковских процессов;

- оценка параметров пуассоновских процессов;

- моделирование при условии самоподобности (фрактальности) трафика;

- выбор распределения с тяжелыми хвостами;

- моделирование статических режимов.

Выделены группы методов, построенных в предположении о фрактальной структуре (Е.В. Морозов, О. И. Шелухин, А.Я. Городецкий, В.М. Вишневский):

- фрактальное броуновское движение;

- фрактальный гауссовский шум;

- регрессионные модели;

- фрактальные точечные модели;

- моделирование с помощью вейвлетов.

Показано, что используемые модели направлены на поиск оценок вероятностных характеристик, что не учитывает аппаратную реализацию в корпоративных сетях с внешнем переменным количеством подключенных пользователей к системе реального времени.

Рассмотрены особенности идентификации динамических управляемых систем, используемые в классической математической теории управления.

Сформулирована задача создания методики управления динамическим разделением загрузки каналов в корпоративных сетях. В качестве базовых методов решения выбраны методы теории управления и качественной теории нелинейных систем.

Во второй главе описана предложенная в работе методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях, сформирована схема эксперимента для получения параметров сети с внешним узким каналом связи.

В качестве объекта рассмотрены сети, имеющие специфические особенности: изменяющееся число одновременно подключенных абонентов, разные классы приложений (видеоконференции, ИП-телефония, интерактивное телевиденье, дистанционное обучение), что определяет изменение способа диспетчеризации трафика сети.

В качестве исходной корпоративной сети рассмотрена сеть Московского государственного университета печати (МГУП), имеющая распределенную структуру, с быстрыми магистральными линиями связи сегментов, но имеющая проблемы на граничной точке подключения к глобальной сети из-за разницы скоростей передачи данных. Также рассмотрен ряд других корпоративных систем. В результате анализа топологии и динамики изменения нагрузки показано, что в качестве узкого места сети необходимо рассматривать пограничный участок. Общая схема приведена на рис. 1.

Экспериментально подтвержден полученный в первой главе теоретический вывод о том, что использование известных методов, улучшающих качество доставки данных не обеспечивает нужный уровень качества обслуживания трафика.

Локальная сеть

На основе данных о загрузке Интернет канала, полученных в ходе мониторинга работы сети МГУП за каждый месяц, измеренных в течении года, была построена эмпирическая гистограмма частот загрузки канала (рис. 2,).

О шоа 20Ш 3000 4000 5ШО 6000 71)00 «100 9000 10000 (игр* 1КИ м'ки/с

Рис.2. Эмпирическая гистограмма загрузки выходного канала сети МГУП

С использованием критериев согласия Пирсона и Колмогорова-Смирнова показано, что наблюдаемое распределение вероятностей не согласуется с распределением Пуассона. Гистограммы частот загрузки канала, полученные для других корпоративных сетей, также обладают тяжелыми хвостами (рис. 3), свидетельствующие о наличии пиковых моментов загрузки сети, в которые происходит сильное увеличение задержек и потеря информации.

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 i:n р\ siv:I k'.I и-1-1 КШ! 1V

О)

и Э1Н. §

,2 40С

20Q 400 6С0 800 1000 JarpvjK» канала кфмт/'с

б)

Рис. 3. Эмпирическая функция распределения загрузки каналов корпоративных сетей для: — а) сети компании провайдера за месяц, б) сети офиса компании за 3 недели

Сделан вывод, что в рассматриваемой задаче теория массового обслуживания, применяемая для управления сетями передачи данных, не гарантирует эффективное достижение поставленной цели.

Произведено разделение всей передаваемой информации на три типа трафика по уровню необходимого качества обслуживания:

1. Служебный трафик — трафик обмена служебными данными сетевого оборудования для поддержания сетевой инфраструктуры: whois, bgp, rip, dns, db, netbios, isakmp и т.д.

2. Потоковый трафик — трафик реального времени такой как аудио и видео, интерактивные данные следующих протоколов и служб: VoIP, IPTV, graphics, Windows Media, Apple Quick Time и т. д.

3. «Классический» трафик — трафик таких протоколов как: http, smtp, рорЗ, ftp, ire, icq, ssl, tftp, imap и других протоколов LAN.

Классы трафика выделены на основании следующих предпосылок: служебный трафик должен всегда иметь гарантированную полосу пропускания для поддержания сети в рабочем состоянии, потоковый трафик сильно критичен к потерям и задержкам, «классический» трафик не сильно критичен к задержкам, что позволяет незначительно увеличивать задержки для данного класса освобождая пропускную способность канала другим классам, при этом он не должен уменьшаться ниже критического уровня.

Предложен способ получения экспериментальных данных для анализа и его программно-аппаратная реализация (рис. 4).

При поступлении на внутренний порт GigabitEthernetO/O центрального маршрутизатора Cisco 2851 пакет идентифицируется. Согласно правилам ip

policy route-map, пакет маршрутизируется на один из трех логических интерфейсов Loopback, соответствующих классу. Далее пакет попадает на внешний порт GigabitEthernetO/1. Сервер статистики на базе программы Paessler Router Traffic Grapher, по протоколу snmp и netflow снимает информацию о загрузке и количестве переданной информации.

Центральный Маршрутизатор Cisco 2851

Рис. 4. Структурная схема получения статистических данных.

Сформулирована задача динамического управления загрузкой канала связи. Необходимо для каждого класса трафика (5 = 1,3) построить закон управления и'(0 на интервале [/,; /2 ] для динамической системы:

хх(к + 1) = <р\х!(к),и'(к)), /=<р\(х°(к)),

при заданных критериях:

<=', (1) у\к) = 4, у\к)>г]{к), где хЛ е К"' - и,-мерный вектор состояний системы 5; и1 е £/' с к' - управление; к - дискретное время; <р'":Е"' хЕ1 К"'; (ро: К"' -> Ж1; у2(к)- необходимая пропускная способность; у (к) - пропускная способность канала 5 в условиях ограничений; £ - константа; г/(к) - вычисляемый ненулевой критический уровень пропускной способности трафика третьего класса.

Содержательно задача состоит в динамическом разделении канала связи, таким образом, чтобы первый класс трафика передавать в заданном объеме; критичный (второй) — передавать без потерь, а не критичный (третий) — с наименьшими потерями.

Для проверки методов управления был создан экспериментальный стенд (рис. 5).

Для разработанного стенда реализован метод генерации трафика заданного вида, который заключается в посылке блока данных, определенного размера в заданный интервал времени определенному получателю, моделирующий интенсивность трафика, характерную для реальной сети.

На основании проведенных исследований и опытных испытаний разработана методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях с узким каналом, состоящая из пяти этапов.

1. Подтверждение динамического характера изменения интенсивности трафика.

2. Проверка наличия тяжеловесных хвостов в эмпирической функции распределения, построенной на основании статистики загрузки каналов связи.

3. Выделение разных классов трафика, различающихся по функциональному назначению и значительно отличающихся по необходимому уровню обслуживанию.

4. Планирование эксперимента в соответствии с разработанной схемой программно-аппаратной реализации.

5. Формирование экспериментального стенда для выбора управляющих механизмов.

Третья глава посвящена построению математических моделей динамики трафика на основе использования качественной теории нелинейных систем. Приведены модели в режиме нормального функционирования и переходном процессе (при изменении пропускной способности).

Применение методов хаотической динамики к анализу экспериментальных данных показало, что в рассматриваемой задаче трафик имеет хаотический характер. В соответствии с теоремой Такенса реконструирован аттрактор нелинейной системы (рис. 6).

Рис. 6. Аттрактор, реконструированный по изменению загрузки

Одно из современных и перспективных направлений моделирования заключается в поиске групп симметрий. Для реконструкции моделей по восстановленному аттрактору использованы симметрические свойства решений дифференциальных уравнений. Наличие симметрий в трафике показано в диссертации О. В. Козлова.

При моделировании в режиме нормального функционирования использована модель вида:

х2(* + 1) = А2хг(*)+Ч^(А),

у\к) = Сгх\к),

(2)

где 4>1(к) определены на основании групп симметрий, построенной по восстановленному аттрактору. Для реконструкции нелинейной системы в виде (2) выделяются локальные области фазовых траекторий, близкие к периодическим, и определяются группа симметрий фазовых траекторий, которая характеризуется преобразованием графиков.

Идентификация параметров системы в форме (2) с помощью метода наименьших квадратов, дает следующий результат:

А2 =

0.9413 -0.1805 0.1164 -0.0295

-0.0545 0.8226 0.1622 0.1056

0.0014 -0.0105 -0.4455 0.8471

-0.0062 0.0341 -0.8860 -0.5404^

С2 =104[ 2.1037 -0.0124 0.1202 -0.0302].

У2 =

т о

0.0399 0.0463 -0.4848 -0.1851

(ехр(*000>п(Г4)),

На рис. 7 приведено сравнение динамики исходной системы и реконструированной модели, на рис. 8 — фрагмент временного ряда.

tm 200 331 <0 SCO ЕШ 70Э 9Ш SJC IGUO

Рис. 7. Сравнение динамики модели с реальным трафиком

Рис. 8. Увеличенный фрагмент рисунка 1.

Для идентификации в переходном режиме использовался System Identification Toolbox 7 for MATLAB. Полученная модель имеет вид:

x(k+\) = Ax{k)+Bu(k), (3)

y{t) = Сх(0,

где

' 0.8800 -0.1747 0.3001 -0.1379 0.0266" ' 0.1761 "

-0.0661 0.8827 0.3615 -0.1119 -0.0270 0.1947

-0.0179 -0.0307 0.6090 0.0381 0.0037 , В = 104 -0.1899

-0.0358 -0.1058 0.2678 0.3411 -0.9243 0.1091

-0.0256 -0.0619 0.0126 0.6155 0.3705 0.1062

С = 104[ 1.3385 -0.1091 0.2687 0.0301 0.0112].

Проведена оценка адекватности модели (3) по среднеквадратичному критерию. Полученные значения (64%- для хаотической системы в режиме нормального функционирования, 72% - в переходном режиме) свидетельствуют о их применимости для реализации динамического управления.

В четвёртой главе изложен разработанный алгоритм управления пропускной способностью, обеспечивающий повышение надежности передачи и обработки информации; разработана методика управления динамическим разделением загрузки в узком выходном канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений и приведены оценки эффективности; определены области использования.

Разработан алгоритм диспетчеризации внешнего канала с динамически изменяющимися параметрами корпоративной сети на основе моделей, учитывающих динамические характеристики интенсивности трафика, блок схема которого приведена на рис. 9.

В приведённой блок схеме использованы следующие обозначения: к - дискретное время;

и'(к) - пропускная способность для первого типа трафика;

и1 (к) — пропускная способность для второго типа трафика;

и3(к) - пропускная способность для третьего типа трафика;

у2 (к) — прогнозируемая пропускная способность для второго типа трафика;

уъ (к) — прогнозируемая пропускная способность для третьего типа трафика;

V - общая пропускная способность канала;

т - коэффициент максимального сжатия пропускной способности для третьего типа трафика

/ - коэффициент максимального сжатия пропускной способности для третьего типа трафика

/ - текущий коэффициент сжатия пропускной способности для второго типа трафика

Алгоритм управления трафиком функционирует в случае, если загрузка канала превышает 70% от общей пропускной способности канала и состоит из четырех шагов.

1. Выбор модели для прогнозирования трафика с учетом наличия на предыдущем шаге изменений в разделении пропускной способности.

2. Проверка прогнозируемого шага изменения пропускной способности трафика второго типа, при условии передачи трафика третьего типа в следующий момент времени без потерь. Если проверка показала, что возможно изменение больше заданного значения, то переходим в шагу 4, если нет, то к шагу 3.

3. Пропускная способность второго типа трафика снижается на установленный коэффициент максимального сжатия для уменьшения потерь трафика третьего типа.

4. Происходит проверка прогнозируемого шага изменения пропускной способности на шаг работы алгоритма а - 1, при условии передачи трафика третьего типа на каждом шагу без потерь и не превышении коэффициента максимального сжатия пропускной способности для второго типа трафика. В результате устанавливаются параметры пропускных способностей для всех классов до шага у -1.

На основании полученных теоретических и практических результатов сформирована методика управления динамическим разделением загрузки в узком выходном канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений, состоящая из четырех этапов.

1 этап. Методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях с узким каналом на имеющейся структуре сети, с целью выявления необходимости динамического управления.

2 этап. Построение математических моделей и их идентификация в соответствии с результатами, изложенными в главе 3 и оценка адекватности моделей.

3 этап. Реализация алгоритма управления приведенного выше.

4 этап. Внедрение и оценка эффективности применения.

В работе проведена оценка эффективности предложенной методики управления по сравнению со стандартными подходами. На рис. 10. приведены экспериментальные данные, полученные при использовании предложенного

алгоритма управления в сравнении с алгоритмом справедливого взвешенного обслуживания для второго и третьего типа трафика (красный - пропускная способность, необходимая для передачи; оранжевый и синий - пропускная способность в условиях ограничений, при использовании алгоритма справедливого взвешенного обслуживания WFQ со статически заданными приоритетами; зеленый - пропускная способность при использовании предложенного алгоритма) Показано, что наиболее эффективное решение, в смысле критерия (1) дает предложенный алгоритм.

Рис. 10. Сравнение результатов управления предложенным алгоритмом и алгоритмом справедливого взвешенного обслуживания

Выявлена область эффективного использования предложенной методики динамического управления:

- узкий внешний канал (соотношение скорости внешнего канала к внутренним скоростям не менее чем 1 к 10);

- пульсирующая структура трафика реального времени с диапазоном изменения более 60%;

- наличие разных классов трафика, различающихся по функциональному назначению и по необходимому уровню обслуживанию;

- идентифицируемость динамических прогнозирующих моделей с адекватностью не менее 60% и прогнозом на 10 шагов дискретизации при топологической эквивалентности фазовых портретов моделей и системы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен обзор подходов к управлению сетями передачи данных и методов моделирования телекоммуникационных процессов. Определена основная особенность области исследования: переменное число подключенных пользователей к системе реального времени в корпоративной сети.

2. Сформулирована задача улучшения качества обслуживания для корпоративных сетей с узким каналом подключения.

3. Проведено планирование эксперимента в соответствии с разработанной схемой программно-аппаратной реализации.

4. Разработана методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях с узким каналом.

5. Выбраны и идентифицированы модели, адекватные исследуемому процессу.

6. Разработан алгоритм диспетчеризации внешнего канала с динамически изменяющимися параметрами корпоративной сети на основе моделей и характеристик интенсивности трафика.

7. Разработана методика управления динамическим разделением загрузки в узком канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений.

8. Проведен анализ результатов реализации и выявлены области эффективного применения.

9. Результаты диссертации использованы при выполнении НИР по гранту РФФИ, проект № 08-07-00433а и для построения динамических моделей загрузки каналов связи в вычислительной сети в Московском государственном университет печати.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ.

1. Паяин С. В., Никульчев Е. В. Построение модели загрузки каналов связи в сетях передачи данных на основе геометрического подхода // Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела.— 2008.— № 6.— С. 91-95.

В других изданиях.

2. Паяин С. В., Никульчев Е. В. Динамический подход к управлению и моделированию загрузок каналов в корпоративных сетях // Информационные технологии и системы: Материалы 15-й межд. науч.-техн. конференции. — Нижний Новгород: НГТУ, 2009,— С. 291-292.

3. Паяин С. В. Разработка принципов управления загрузками каналов связи // Задачи системного анализа, управления и обработки информации: Межвуз. сб. науч. трудов,—М.-.МГУП, 2008,—С. 112-116.

4. Паяин С. В., Никульчев Е. В. Управление каналами связи в корпоративных сетях с гарантированной доставкой данных // Труды 9-й Междунар. науч.-техн. конф. Проблемы техники и технологий телекоммуникаций. — Казань: КГТУ, 2008, — С. 435-^37

5. Паяин С. В., Никульчев Е. В. Моделирование загрузки каналов связи в корпоративных сетях передачи данных // Вестник МГУП.—2008.—№10.—С. 79-87.

6. Паяин С. В., Никульчев Е. В. Разработка моделей загрузки каналов связи в корпоративных сетях с гарантированной доставкой данных // IX Всероссийская конф. молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (28-30 октября 2008 года, г. Кемерово): материалы. — Новосибирск, ИВТ СО РАН, 2008. — С.90.

Подписано в печать 13.05.2009 Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 0.93 Тираж 100 экз. Заказ № 139/120. Отпечатано в РИЦ Московского государственного университета печати 127550, Москва, ул. Прянишникова 2а

Введение

1. Обзор подходов управления телекоммуникационными системами и методов моделирования "

1.1 Управление трафиком в компьютерных еетях

1.2 Управление информационными потоками путем прогнозирование пропускной способности в сетях

1.3 Самоподобный трафик компьютерных сетей 31 1.4. Математические модели динамических управляемых систем 40 Выводы >

2. Методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях с узким каналом связи

2.1. Описание исследуемой сети

2.2 Эмпирическая гистограмма загрузки выходного канала сети

2.3 Классы трафика

2.4 Схема получения статистических данных

2.5 Задача динамического управления загрузкой канала связи

2.6 Экспериментальный стенд

2.7 Методика проведения экспериментальных исследований 71 Выводы

3. Моделирование динамики изменения трафика на основе построения групп симметрии

3.1. Построение идентифицируемых моделей на основе геометрического анализа реконструированного аттрактора

3.2. Выявление симметрий в реконструированном аттракторе

3.3. Построение идентифицируемой модели , 84 3.4.Моделирование поведения трафика в управляемом переходном1 режиме 88 Выводы

4. Методика управления динамическим разделением загрузки в узком выходном канале связи корпоративных сетей, в условиях заданных ограничений

4.1 Алгоритм управления

4.2 Методика управления динамическим разделением загрузки каналов в корпоративных сетях

4.3 Оценка эффективности

4.4 Область эффективного использования 101 Выводы 102 Заключение

Актуальность темы

Современные корпоративные компьютерные сети, построенные на IP-протоколах, используются не только для классической передачи данных, но и для обмена речевой информацией, проведения мультимедийных конференций, оперативного контроля/управления, прослушивания * музыкальных записей, просмотра видеоклипов, сетевых игр и других приложений реального времени. Для телекоммуникационных систем характерна следующая ситуация. С одной стороны — создается большое количество приложений, направленных на расширение области и средств общения и обмена информации, с другой — технологии передачи данных используют протоколы, не предназначенные для гарантированной передачи данных в системах реального времени. В этой ситуации часто возникают перегрузка очередей каналов связи, а таюке парализация сети из-за большого количества подключений к системам реального времени.

При перегрузке канала связи пакеты помещаются в очереди, в случае переполнения очереди пакеты отбрасываются, что приводит к замедлению скорости передачи пакетов протоколом TCP/IP и потере пакетов.

Особенностью корпоративных сетей является отсутствие реальных возможностей создания новых протоколов работы сети при работе с внешней сетью и их аппаратной реализаций.

Чтобы добиться гарантии качества обслуживания от сетей, изначально на это не ориентированных, применяют QoS-архитектуру (Quality of service), которая включает в себя поддержку качества на всех уровнях стека протоколов TCP/IP и во всех сетевых элементах. Но и при этом обеспечение гарантированного качества обслуживания все равно остается самым слабым местом процесса передачи информации от источника к приемнику, т. к. QoS-архитектура представляет собой систему разделения трафика на статические, заранее определяемые классы с фиксированными приоритетами, что не даёт возможности учитывать конкретную'ситуацию в данный момент времени.

Для эффективного использования статического назначения и выбора приоритетов необходимо использовать точные оценки параметров сети, что для общего случая является практически не решаемой задачей. Работы в области моделирования трафика и его характеристик велись и ведутся весьма интенсивно как отечественными (Морозов Е.В. [38], Шелухин О. И. [69], Городецкий А. Я. [14], Вишневский В. М. [12]), так и зарубежными учеными (М. Кровелл [85], А. Беставрос [86], Дж. Парк [71]). Тем не менее, многие вопросы здесь либо исследованы недостаточно полно, либо ориентированы на решение относительно узких прикладных задач, существующие модели не учитывают изменения количества подключенных пользователей к системе реального времени, т.е. реальную динамику загрузки сети.

Один из современных подходов строится на предположении фрактальности структуры трафика, но он используется совместно с методами теории массового обслуживания и не ориентирован на реальные прикладные вопросы динамического управления корпоративными сетями.

Таким образом, разработка моделей и алгориъмов управления динамическим разделением загрузки каналов в корпоративных сетях является актуальной задачей. Цель исследования

Разработка методики для обеспечения гарантированной доставки пакетов в узком канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений.

Основные задачи исследования

1. Обзор подходов к управлению сетями передачи данных и методов моделирования телекоммуникационных процессов.

2. Постановка задачи, учитывающая особенности корпоративных сетей с узким каналом подключения.

3. Планирование эксперимента с учетом выбора схемы сетевой структуры, объема данных и разделения трафика на классы, для последующего сбора статистических данных.

4. Обоснование выбора метода моделирования трафика.

5. Идентификация математических моделей сети в переходном процессе и режиме нормального функционирования.

6. Разработка алгоритма диспетчеризации внешнего канала с динамически изменяющимися параметрами корпоративной сети на основе моделей и характеристик интенсивности трафика.

7. Разработка методики управления динамическим разделением загрузки каналов в корпоративных сетях.

8. Внедрение и анализ результатов.

9. Выявление области эффективного применения. Объект исследования

Корпоративные сети с ярко выраженным превалированием скорости передачи по внутренним каналам связи над скоростью передачи по выходному каналу.

Предмет исследования

Методы моделирования трафика и архитектура обеспечения гарантированного качества управления в компьютерных сетях.

Методы исследования

В работе используются методы теоретической информатики, теории алгоритмов, математической теории управления, качественной теории нелинейной динамики и современные информационнотелекоммуникационные технологии.

Научная новизна исследования

1. Разработана методика управления динамическим разделением загрузки в узком выходном канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений.

2. Разработан алгоритм диспетчеризации внешнего канала с динамически изменяющимися параметрами корпоративной сети на основе моделей, учитывающих динамические характеристики интенсивности трафика.

3. Сформулирована методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях с узким выходным каналом.

Практическая ценность

Результаты диссертации использованы при выполнении НИР по гранту РФФИ, проект № 08-07-00433а «Построение динамических моделей управления распределением загрузки каналов связи в вычислительных сетях».

Реализация результатов работы

Результаты работы использованы для построения динамических моделей управления загрузкой каналов связи в вычислительных сетях Московского государственного университета печати. Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на 5-и научных конференциях и семинарах:

- 9-й Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (г. Кемерово, 2008);

- 9-й Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» ( Казань, КГТУ, 2008);

- II Школе—семинаре молодых ученых «Задачи системного анализа, управления и обработки информации» (Москва, декабрь, 2008);

- 15-й Международной научно-технической конференции «Информационные технологии исистемы» (Нижний Новгород, апрель, 2009);

- Регулярном научно-методическом семинаре кафедры прикладной математики и моделирования систем Московского государственного университета печати.

Результаты проведенных исследований подробно изложены в четырёх главах.

В первой главе проводится обзор подходов к управлению сетями передачи данных и методов моделирования телекоммуникационных процессов с целью формализации постановки задачи и обоснованного выбора методов и технологий ее решений. Проведен анализ методов управления телекоммуникационными сетями, направленных на обеспечение необходимой пропускной способности. Рассмотрены вопросы формирования и управления очередями в сетях передачи- данных. Показывается необходимость прогнозирования. Все известные решения заключается втом, что данные прогноза о пропускной способности позволяют получить дополнительные сведения для решения задачи управления, а именно формирования алгоритма предотвращения перегрузки. Проведен анализ публикаций по моделированию трафика на основании экспериментальных данных. Выделены группы методов, построенных в предположении о фрактальной структуре трафика

Показано, что используемые модели направлены на поиск оценок вероятностных характеристик, что не учитывает аппаратную реализацию в корпоративных сетях с внешнем переменным количеством подключенных пользователей к системе реального времени. 7 i I

Рассмотрены особенности идентификации динамических управляемых систем, используемые в классической математической теории управления.

Сформулирована задача создания методики управления динамическим разделением загрузки каналов в корпоративных сетях. В качестве базовых методов решения выбраны методы теории управления и качественной теории нелинейных систем.

Во второй главе описана методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях, сформирована схема эксперимента для получения параметров сети с внешним узким каналом связи.

На основе данных о загрузке Интернет канала, полученных в ходе мониторинга работы сети МГУП за каждый* месяц, измеренных в течении года, была построена эмпирическая гистограмма частот загрузки канала показано, что1 наблюдаемое распределение вероятностей не согласуется с распределением Пуассона. Гистограммы частот загрузки канала, полученные для*других корпоративных сетей, также обладают,тяжеловесными хвостами свидетельствующие о наличии пиковых моментов загрузки сети, в которые происходит сильное увеличение задержек и потеря информации.

Сделан вывод, что в рассматриваемой задаче теория массового обслуживания, применяемая для управления сетями передачи данных, не гарантирует эффективное достижение поставленной цели.

Произведено разделение всей передаваемой информации на три типа трафика по уровню необходимого качества обслуживания. Предложен способ получения экспериментальных данных для анализа и его программно-аппаратная реализация.

Сформулирована задача динамического управления загрузкой канала связи. Содержательно задача состоит в динамическом разделении канала связи, таким образом, чтобы первый класс трафика передавать в заданном объеме; критичный (второй) — передавать без потерь, а не критичный (третий) — с наименьшими потерями.

Для проверки методов управления описывается созданный экспериментальный стенд. Описывается разработанная методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях с узким каналом.

Третья глава посвящена построению математических моделей динамики трафика на основе использования качественной теории нелинейных систем. Приведены модели в режиме нормального функционирования и переходном процессе (при изменении пропускной способности).

Одно из современных и перспективных направлений моделирования заключается в поиске групп симметрий. Для реконструкции моделей по восстановленному аттрактору использованы симметрические свойства решений дифференциальных уравнений. Наличие симметрий в трафике показано в диссертации О. В. Козлова [27]. Получены модели и проведена оценка адекватности по среднеквадратичному критерию. Полученные значения (64% - для хаотической системы в режиме нормального функционирования, 72% - в переходном режиме) свидетельствуют о их применимости для реализации динамического управления.

В четвёртой главе изложен разработанный алгоритм управления пропускной способностью, обеспечивающий повышение надежности передачи и обработки информации; разработана методика управления динамическим разделением загрузки в узком выходном канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений и приведены оценки' эффективности; определены области использования.

Разработан алгоритм диспетчеризации внешнего канала с динамически изменяющимися параметрами корпоративной сети на основе моделей, учитывающих динамические характеристики интенсивности трафика.

Описана сформированная методика управления динамическим разделением загрузки в узком выходном канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений.

Приводится оценка эффективности предложенной методики управления по сравнению со стандартными подходами. Показано, что наиболее эффективное решение, дает предложенный алгоритм.

Выявлена область эффективного использования предложенной методики динамического управления.

В заключении приводятся основные выводы и результаты работы.

Выводы

1. Разработан алгоритм управления пропускной способностью, обеспечивающий повышение надежности передачи и обработки информации, основанный на динамического изменения гарантированной пропускной способности трафика разных типов.

2. Сформирована методика управления динамическим разделением загрузки каналов в корпоративных сетях.

3. Произведена оценка эффективности, показывающая что предложенный алгоритм дает наиболее эффективное решение в смысле критерия управления.

4. Определены области эффективного использования предложенной методики динамического управления.

Заключение

Проведенное исследование позволило получить следующие результаты:

1. Проведен обзор подходов к управлению сетями передачи данных и методов моделирования телекоммуникационных процессов. Определена основная особенность области исследования: переменное число подключенных пользователей к системе реального времени в корпоративной сети.

2. Сформулирована задача улучшения качества обслуживания для корпоративных сетей с узким каналом подключения.

3. Проведено планирование эксперимента в соответствии с разработанной схемой программно-аппаратной реализации.

4. Разработана методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях с узким каналом.

5. Выбраны и идентифицированы модели, адекватные исследуемому процессу.

6. Разработан алгоритм диспетчеризации внешнего канала с динамически изменяющимися параметрами корпоративной сети на основе моделей и характеристик интенсивности трафика.

7. Разработана методика управления динамическим разделением загрузки в узком канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений.

8. Проведен анализ результатов реализации и выявлены области эффективного применения.

9. Результаты диссертации использованы при выполнении НИР по гранту РФФИ, проект № 08-07-0043За.

1. Аграчеев А. А., Сачков Ю. JI. Геометрическая теория управления. — М.: Физматлит, 2005.

2. Аминова И. В. Моделирование сетей обслуживания методом слабой регенерации, канд.диссертации. -ПетрГУ, Петрозаводск, 2003. —124 с.

3. Анкудинов Г. И., Стрижаченко А.И. Сети ЭВМ и телекоммуникации. Архитектура и сетевые технологии: Учебное пособие. — СПб.: Изд-во СЗТУ, 2006. — 180 с.

4. Анищенко В. С., Астахов В. В., Вадивасова Т. Е. и др. Нелинейные эффекты в хаотических и стохастических системах / Под ред. В. С. Анищенко. Пер. с англ. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003.

5. Белый А. В., Морозов Е. В. О некоторых подходах к регенеративному моделированию сетей обслуживания // Журнал "Обозрение прикладной и промышленной математики",Редакция журнала "ОПиПМ", Москва, 2004, т. 11, вып.З, 619-620.

6. Брейман А. Д. Сети ЭВМ и телекоммуникации. Глобальные сети: Учебное пособие. — М.: МГУПИ, 2006. — 116 с.

7. Блох Э. Л., Попов О. В., Турин В. Я. Модели источника ошибок в каналах передачи цифровой информации. —М.: «Связь», 1971 —312 с.

8. Ванахович Г. Ф., Чуприн В. М. Сети передачи пакетных данных. — М.: МК-Пресс, 2006. — 272 с.

9. Винарский М. С., Лурье М. В. Планирование эксперимента втехнических исследованиях.— Киев: Технпса, 1975.

10. Вишневский В. М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. — М.: Техносфера, 2003. — 512 с.

11. Гольдштейн В. С., Пинчук А. В., СуховицкийА. JI. IP-Телефония. — М.: Радио и связь, 2001. — 336с

12. Городецкий А. Я. Информационные системы. Вероятностные модели и статистические решения. Учеб. пособие. — СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. —326 с.

13. Городецкий А. Я., Заборовский В. С. Информатика. Фрактальные процессы в компьютерных сетях Учеб. пособие. — СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000, — 102 с.

14. Громов Ю. Ю., Земской Н. А., Иванова О. Г., Лагутин А. В., Тютюнник В. М. Фрактальный анализ и процессы в компьютерных сетях: Учеб. пособие. — Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. — 108 с.

15. Данилов Ю. А. Лекции по нелинейной динамике. Элементарное введение. — М.: Постмаркет, 2001. — 184 с.

16. Дейч А. М. Методы идентификации динамических объектов. — М.: Энергия, 1979.

17. Джонатан Дэвидсон, Джеймс Питере Основы передачи голосовых данных по сетям IP — М.: Вильяме 2007 —- 400с.

18. Долгов В .А. Под знаком качества //"Компьютерная Телефония" 2001 №1, с. 27-30

19. Дудников Е. Т., Балакирев В. С., Кривсунов В. П., Цирлин А .М. Построение математических моделей химико-технологических объектов. — М.: Химия, 1981.

20. Заборовский В. С. Методы и средства исследования процессов в высокоскоростных компьютерных сетях: Дисс. д-ра техн. наук: 05.13.01 Управление в технических системах / СПб.: ЦНИИ РТК, 1999.—268 с.

21. Иванов А. В. Разработка и исследование алгоритмов прогнозирования и управления очередями в компьютерных сетях: автореферат. — СПб.: 2001.

22. Иглин С. П. Математические расчёты на базе MATLAB. — БХВ, 2005, Санкт-Петербург, Россия, 640 с.

23. Иглин С. П. Теория вероятностей и математическая статистика на базе MATLAB.— Издательство НТУ "ХПИ", 2006, Харьков, Украина — 612 с.

24. Каток А. Б., Хассельблат Б. Введение в современную теорию динамических систем. Пер. с англ. М.: Факториал УРСС, 1999.

25. Козлов О. В. Методика эволюционного выявления преобразований симметрий в многомерных числовых последовательностях // Дис. на соискание звания к. т. н. по специальности 05.13.17. —М.: МГУП, 2008. — 127 с.

26. Козлов О. В. Методика определения симметрий фазовых траекторий динамических систем // Вестник МГУП. — 2007. № 3.— С.40-46.

27. Кроу К., Гамилец А., Хоффман Т. и др. Математическое моделирование химических производств. — М.: Мир, 1973.

28. Крук Б. И., Попантонопуло В. Н., Шувалов В. П. Телекоммуникационные системы и сети: В 3 т. Т.1: Современные технологии: — Учебное пособие Горячая линия — Телеком —• 647с

29. Кучерявый А. Е. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет — Наука и техника 2004 — 336с

30. Ли Т. Г., Адаме Г. Э., Гейнэ Ч. М. Управление, процессами с помощью ЭВМ. Моделирование и оптимизация. — М.: Сов. радио, 1972.

31. Ли Р. Оптимальные оценки, определение характеристик и управление. — М.: Наука, 1966.

32. Лисиенко В. Г. Принципы построения трехуровневых АСУ ТП объектов с распределенными параметрами на примере АСУ нагревом металла. —Екатеринбург: УГТУ, 1999. —73 с.

33. Мак-Ферсон Д., Хелеби С. Принципы маршрутизации в Internet — Вильяме, 2001 —448с

34. Морозов А. Д. Введение в теорию фракталов Институт компьютерных исследований -Москва-Ижевск 2002 — 160с

35. Морозов В. А. Линейные и нелинейные некорректные задачи // Сб. Математический анализ. Т. П. — М.: Изд-во ВИНИТИ, 1973.

36. Музыкин С. Н., Родионова Ю. М. Моделирование систем.— М.: МГАПИ, 2004.

37. Налимов В. В. Теория эксперимента. — М.: Наука, 1971.

38. Нейман В. И. Самоподобные процессы и их применение в теории телетрафика // Труды MAC. 1999, №1(9), с. 11-15.

39. Никульчев Е. В. Моделирование систем с нелинейной динамикой на основании экспериментальных данных // Мехатроника, автоматизация, управление. 2006. №5. С.6-14.

40. Никульчев Е. В. Геометрический метод реконструкции систем по экспериментальным данным// Письма в Журнал технической физики. 2007. Т. 33. Вып. 6. С. 83-89.

41. Никульчев Е. В. Геометрический подход к моделированию нелинейных систем по эксперименталным данным: монография. М.: МГУП, 2007.- 162 с.46