автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методики комплексного анализа алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux при управлении информационными каналами с задержкой

004615933

Лл-

Соляков Артемий Александрович

МЕТОДИКИ КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА АЛГОРИТМОВ КОНТРОЛЯ НАСЫЩЕНИЯ В СОСТАВЕ ЯДРА GNU/LINUX ПРИ УПРАВЛЕНИИ ИНФОРМАЦИОННЫМИ КАНАЛАМИ С ЗАДЕРЖКОЙ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в приборостроении)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 2010

- 3 ЛЕК 2010

004615933

Работа выполнена на кафедре Информатики и программного обеспечения вычислительных систем в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете).

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор Гагарина Лариса Геннадьевна

Официальные оппоненты Доктор технических наук

Портной Сергей Львович

Кандидат технических наук, доцент Плетнева Ирина Давидовна

Ведущая организация

ГУП НГ1Ц «Элвис»

Защита состоится 28 декабря 2010 года в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 212.134.02 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ. Автореферат разослан « » н сяЪр? 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

А.В. Гуреев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современных условиях управление информационными потоками в сети, как правило, осуществляется с использованием транспортного протокола управления передачей (ТСР), организующего гарантированную доставку отправленных данных. В состав протокола входят алгоритмы, выполняющие контроль приема и передачи данных. Алгоритм контроля насыщения является одним из таких алгоритмов ТСР.

Под насыщением канала понимается превышение программно-аппаратных ограничений активного сетевого оборудования (маршрутизаторы, коммутаторы), образующего канал. Насыщение канала сопровождается отбрасыванием сетевых пакетов, что для конечного пользователя выражается в снижении скорости передачи данных, вызванной повторами передачи отброшенных пакетов. Негативные последствия насыщения можно уменьшить, выполняя оперативное регулирование интенсивности передачи данных. Механизм контроля насыщения выполняет названное регулирование на стороне отправителя сегментов протокола.

Результаты проведенного анализа показали, что в настоящее время не существует универсального алгоритма контроля насыщения. Поскольку передача данных может быть организована в условиях больших задержек передачи, постоянных потерь и других проблем, то рассматривают множество алгоритмов контроля насыщения, каждый из которых позволяет наиболее эффективно выполнять поставленную задачу в определенных условиях. В состав программной реализации протокола ТСР входит один из алгоритмов множества. Такую реализацию называют модификацией протокола ТСР по названию применяемого алгоритма контроля насыщения, например модификация CUBIC ТСР или модификация Reno ТСР.

Современными проблемами алгоритмов контроля насыщения являются медленное восстановление после потерь в широкополосном канале с задержкой передачи и неэффективное использование ширины асимметричного канала передачи.

Поискам решений обозначенных проблем посвящены работы Эстелла, Хасегавы, Якобсона, Брадена. Анализ технологий управления передачей данных в современных ОС показал, что решение указанных проблем возможно для ОС GNU/Linux. Разработчики сетевой подсисте-

мы ядра ОС GNU/Linux вынесли программную реализацию алгоритмов контроля насыщения за пределы основного кода протокола и предоставили программный интерфейс взаимодействия с ним. Вынесенные алгоритмы получили название подключаемых алгоритмов контроля насыщения.

Появление интерфейса взаимодействия позволило существенно упростить написание программного кода алгоритма контроля насыщения, вследствие чего их общее количество заметно возросло.

Разработка нового подключаемого алгоритма контроля насыщения сопровождается экспериментальным сравнением с рядом существующих решений. Однако сопоставление результатов экспериментальных исследований нередко затруднено ввиду отсутствия общих критериев анализа, а также методов организации самих экспериментальных исследований подключаемых алгоритмов контроля насыщения. .

Поэтому представляются актуальными исследования, направленные на выработку критериев и создание методик комплексного анализа алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux при управлении информационными каналами с задержкой.

В дальнейшем, при должной поддержке со стороны разработчиков других ОС, технология подключения алгоритмов контроля насыщения получит более широкое применение, и результаты диссертационной работы смогут быть использованы для комплексного анализа алгоритмов контроля насыщения соответствующих ОС, поскольку проблемы контроля насыщения останутся.

Целью диссертации является разработка методик комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux при управлении информационными каналами с задержкой, позволяющих проводить, а также сопоставлять результаты экспериментальных исследований подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux согласно критериям комплексного анализа и выбирать эффективные механизмы контроля насыщения.

Для достижения поставленной цели были выделены следующие задачи диссертационного исследования.

1. Анализ теоретического материала, накопленного в области алгоритмизации методов и способов контроля насыщения множества модификаций транспортного протокола управления передачей.

2. Разработка интегрального критерия комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, позволяющего исследо-

3. Разработана новая методика измерения метрик логического соединения транспортного протокола на основе управления фоновым сегментным шумом, что позволяет в реальном времени отслеживать влияние регулируемого, а не статического, как в стандартных инструментах диагностики сети, фонового сегментного шума на характеристики транспортного протокола исследуемого алгоритма контроля насыщения.

4. Разработан новый программный комплекс, позволяющий поддерживать сетевой обмен в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой согласно заданным параметрам, с использованием расширений стандартной библиотеки, что позволяет переносить программный комплекс на различные платформы в отличие от стандартных инструментов диагностики сети.

5. Разработана имитационная модель, позволяющая выполнять процедуры комплексного анализа механизмов контроля насыщения транспортного протокола управления передачей.

6. Показано, что разработанные методики и алгоритмы позволяют снизить на порядок дисперсию наблюдаемой двойной задержки. Относительное отклонение от заданной задержки передачи составляет не более 4%.

7. По результатам моделирования и теоретических исследований выделен эффективный подключаемый алгоритм контроля насыщения транспортного протокола управления передачей для ОС GNU/Linux.

Достоверность научных результатов подтверждается соответствием результатов имитационного моделирования результатам функционирования реальной системы.

Достоверность подкреплена фактом успешного внедрения и использования разработанных методик и отдельных их рекомендаций в ООО «ХайТекДиджит».

Практическая значимость заключается в том, что применение предложенных технических решений позволяет создавать модели, способные имитировать задержки передачи, потери пакетов, битовые ошибки передачи, нарушение порядка следования пакетов и многие другие проблемы, встречающиеся в реальных компьютерных сетях, что позволяет обслуживать широкий круг задач моделирования с привлечением технологии паравиртуализации.

вать эффективность алгоритмических компонент механизма контроля насыщения транспортного протокола.

3. Разработка методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, на основе технологии паравиртуализации, эмуляции сетевых каналов и подключения алгоритмов контроля насыщения ОС GNU/Linux.

4. Разработка методики измерения метрик логического соединения транспортного протокола при управлении фоновым сегментным шумом.

5. Разработка программного комплекса, позволяющего поддерживать сетевой обмен в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой согласно заданным параметрам с использованием расширений стандартной библиотеки, обеспечивающих перенос программного комплекса на различные платформы.

Методы исследования. В диссертационном исследовании использованы методы теории вероятностей и математической статистики, теории графов. Основу разработки составили средства имитационного моделирования, а также технологии паравиртуализации, подключения алгоритмов контроля насыщения и эмуляции сетевых каналов.

Научная новизна. Научная новизна проведенного исследования заключается в создании совокупности научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих повышение эффективности выполнения процедур анализа механизмов контроля насыщения в ОС GNU/Linux.

В ходе диссертационных исследований получены следующие новые научные результаты.

1. Предложен новый интегральный критерий комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, позволяющий исследовать эффективность механизмов контроля насыщения транспортного протокола.

2. Разработана методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, впервые использующая совместно технологии паравиртуализации, эмуляции сетевых каналов и подключаемых алгоритмов контроля насыщения ОС GNU/Linux, что делает возможным выполнение созданных имитационных сетевых моделей на одной физической вычислительной машине, с меньшими, по сравнению со средами ограниченного исполнения и эмуляторами, затратами вычислительных ресурсов.

Разработанные методики позволяют сопоставлять результаты экспериментальных исследований подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux согласно критериям комплексного анализа с целью выбора наилучших решений проблемы контроля насыщения.

Гибкость и универсальность предложенных в работе решений делает возможным их применение в средствах автоматического регулирования и управления технологическими процессами, в системах управления и контроля Интернет-трафика, в корпоративных информационно-аналитических системах, в биллинговых системах.

Отдельные результаты диссертации отмечены золотой медалью на выставке ВВЦ-2009, а также грантом президента Российской Федерации первой степени на выставке НТТМ-2008.

В результате выполнения работы получены сертификаты.

1. Junior Level Linux Professional (LPIC-1).

2. Advanced Level Linux Professional (LPIC-2).

3. Senior Level Linux Professional (LPIC-3).

4. Novell Certified Linux Administrator (Novell CLA).

5. Data Center Technical Specialist.

Личный вклад автора.

1. Предложен новый интегральный критерий комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, позволяющий исследовать эффективность программной реализации алгоритмических компонент механизма контроля насыщения транспортного протокола.

2. Разработана методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой. Обоснованы требования к имитационной сетевой модели и создана сетевая топология модели.

3. Разработана методика измерения метрик логического соединения транспортного протокола с привлечением свободного программного обеспечения ОС GNU/Linux.

4. Разработан новый программный комплекс, позволяющий поддерживать сетевой обмен в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой.

5. Показано, что разработанные методики и алгоритмы позволяют снизить на порядок дисперсию двойной задержки с относительным отклонением от заданного значения не более 4%.

6. Разработана имитационная модель, позволяющая провести комплексный анализ подключаемых алгоритмов контроля насыщения.

7. ГТо результатам определен эффективный подключаемый алгоритм контроля насыщения.

8. Автор лично принимал участие в разработке, отладке, тестировании и внедрении созданных по результатам диссертационной работы программных средств.

Реализация полученных результатов. Результаты диссертационной работы использованы в:

НИР «Асимметричный доступ в Интернет при использовании канала спутниковой связи», выполненной в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы;

учебном процессе Московского государственного института электронной техники при чтении лекций кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» (ИПОВС) по курсам «Сети ЭВМ» и «Операционные системы, среды и оболочки»;

- ООО «ХайТекДиджит».

Все работы по реализации и внедрению проводились под руководством или при непосредственном участии автора.

Внедрение подтверждено актами.

В результате проведенных исследований получены и выносятся

на защиту следующие основные научные положения.

1. Результаты проведенного теоретического анализа показали, что наличие большого числа подключаемых алгоритмов контроля насыщения требует формализации процедур их сравнения.

2. Разработка интегрального критерия комплексного анализа и имитационной модели позволяет создать необходимую базу для построения процедур объективного сравнения различных подключаемых алгоритмов контроля насыщения.

3. Разработка методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, методики измерения метрик логического соединения транспортного протокола и программного комплекса «Сателлит» позволяет научно обоснованно оценивать изменения характеристик транспортного протокола исследуемого алгоритма контроля насыщения.

4. Разработанная программная реализация методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных кана-

лов с задержкой позволяет на порядок снизить дисперсию наблюдаемой двойной задержки с относительным -отклонением от заданного значения не более 4%.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на пяти международных и одной всероссийской конференциях.

1. IX всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям. Кемерово, Институт вычислительных технологий СО РАН, 2008 г.

2. Международная конференция «Life IT». Hagen, FernUniversitat, 2009.

3. Международная научно-практическая конференция «Приоритетные направления развития современной науки". Чебоксары, МГУТУ, 2010г.

4. II международная студенческая научно-практическая конференция «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания». Новосибирск, ЦРНС, 2010г.

5. IV международная научно-практическая конференция «Наука и современность^ 10». Новосибирск, ЦРНС, 2010г.

6. Международная научная школа «Микрозлектронные информационно-управляющие системы и комплексы». Зеленоград, МИЭТ, 2010г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ (12 работ без соавторов), в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах ВАК.

Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ заявка №2009611527 «Программный комплекс «Сателлит» от 09.04.2009г. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ заявка №2009612481 «ЕИСМ «Basis» от 26.05.2009г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложений, содержащих листинги программ и акты внедрения результатов работы. Основная работа изложена на 112 страницах, содержит 5 таблиц и 22 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика проблемы. Обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе представлен обзор проблемно-ориентированных исследований, в котором рассмотрены алгоритмические компоненты механизма контроля насыщения, описана мотивация к их созданию, применяемые формулы расчета и способы программной реализации.

Исследованы подходы к проблеме классификации алгоритмов контроля насыщения и обозначены существующие критерии классификации. Представлена таксономия алгоритмов контроля насыщения на основе сетевой осведомленности. Выделены алгоритмы контроля насыщения таксона черного ящика (HSTCP, STCP, CUBIC TCP), серого ящика (Vegas TCP, Westwood TCP) и зеленого ящика (ECN, RED).

Помимо таксономии названа проблематика применения протокола управления передачей в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой, где BDP = BxRTT> 105бит (В - ширина канала (бит/с), RTT - двойная задержка передачи (с)). Чем больше BDP, тем сложнее организовывать эффективную передачу данных транспортного протокола управления передачей, поскольку тем больше данных приходится поддерживать в неподтвержденном состоянии, что для конечного пользователя выражается в недостаточной утилизации канала в процессе восстановления после потерь и необходимости выделения большего объема памяти под хранение сегментов данных окна.

Аналитическое описание проблемы насыщения и изменения размера окна насыщения представлено ниже.

В момент обнаружения насыщения суммарный размер окна насыщения равен:

и п

Yjai(k) = BDP+r£nRTTxai,

i=i 1=1

где СО ¡{к) - размер окна насыщения /-го участника соединения в к- ой эпохе насыщения; ВИР - емкость канала; пнп - число двойных задержек, прошедших до момента обнаружения насыщения; а,- - аддитивный коэффициент увеличения окна насыщения /-го участника. Ве-

п

личина ]>>я7тха; представляет собой суммарное количество потерянных сегментов в /с-ой эпохе насыщения. Чем больше потеряно сегментов, тем дольше выполняются процедуры восстановления после потерь. Эффективный алгоритм контроля насыщения выполняет оперативное определение насыщения, что позволяет снизить величину лЛ7Т. Во время (/с +1) -го насыщения размер окна:

й); (к +1) = Д х а>1 (к) + а1.хт, где Д - мультипликативный коэффициент уменьшения 1-го участника,

Г - продолжительность (/с + 1) -ой эпохи насыщения в единицах двойной задержки.

Динамика роста окна насыщения \ -го участника:

>>

./'=1

Величины а и Р каждого участника определяются применяемым алгоритмом контроля насыщения на основании представлений о загруженности канала.

Алгоритмы контроля насыщения являются неотъемлемой частью TCP. Не переставая развиваться, они позволяют регулировать передачу данных в условиях меняющихся задержек или потерь передаваемых сегментов. Актуальной проблемой на протяжении уже многих лет остается создание алгоритма контроля насыщения, сочетающего в себе совместимость с существующими алгоритмами и способность быстрого восстановления после потерь в широкополосных информационных каналах с задержкой. Поскольку оба приведенных требования яв-

ляются взаимоисключающими, то сопоставление результатов программных реализаций различных алгоритмов не всегда можно трактовать однозначно. Некоторые из алгоритмов нацелены на справедливое распределение ресурса ширины канала, другие же, наоборот - выполняют агрессивное приращение размера окна насыщения, ставя своей целью быстро восстанавливаться от неизбежных для транспортного протокола управления передачей потерь. В связи с чем возникает необходимость разработки методик анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, применимых в решении задачи сопоставления программных реализаций этих алгоритмов и выборе наилучшего механизма контроля насыщения.

Результатом проведенных в первой главе исследований стали определение проблемной ситуации, а также формулировка цели и задач дальнейших исследований.

Во второй главе разработаны методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой и измерения метрик логического соединения транспортного протокола.

Проведена формализация интегрального критерия комплексного анализа на основе нормализованных критериев сравнительного анализа протоколов транспортного уровня, применимого в анализе алгоритмических компонент механизма контроля насыщения. Интегральный критерий включает следующие элементы.

1. Эффективность. Под эффективностью будем понимать близость

п

суммарного потребления ресурса ширины канала (^£0,-, где сог

среднее значение размера окна насыщения 1-го потока) к оптимальному значению Эффективность рассчитывается по

формуле: е = 1 —

II /=1

а ,

гол/

. Эффективная утилизация канала

данном контексте выражается соотношением:

СО , = О. ё0а1 . Перегрузка канала (^ > О-^) ¡ = \ ы\

п

незагруженность (^ ¿У,- < ) не являются эффективными. (=1

Критерий оценивает суммарную эффективность п > 1 конкурирующих потоков.

2. Равномерность. Критерий равномерности характеризует распределение ресурса разделяемого коммуникационного канала конкурирующими потоками. Расчет производится по формуле:

(• V

ЙН

F = —-. Критерий описывает равномерность распределе-

ПХ^й)? м

ния пропускной способности канала между п > 1 конкурирующими потоками.

3. Чувствительность. Определяется временем, за которое окно насы-

1

щения потока достигает среднего значения: Т = ———, где СО -

е

среднее значение окна насыщения потока, ¿(су) - время, необходимое для достижения размера окна насыщения со сегментов. В широкополосном канале с задержкой чувствительность является одной из определяющих характеристик общей производительности алгоритма контроля насыщения, поскольку представляет оценку скорости роста кривой размера окна насыщения в фазе медленного старта.

4. Амплитуда. Критерий определяется амплитудой колебаний размера

окна насыщения: А =-;-г, где СО - среднее значение

шах (У - со{1)\

/>г 1 1

размера окна насыщения, со{1) - значение размера окна насыщения в момент времени Г.

5. Период. Критерий определяется периодом колебаний размера окна'

насыщения: Т = —, где т - количество срабатываний алгоритмов т

восстановления, /* - время передачи.

На основе названных критериев предложен интегральный критерий комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения:

J - Е х ке + .р х кг +г х к, + А х кА + Т' х ку,

где Т - нормализованный критерий периода колебаний, к - весовой коэффициент. Значения весовых коэффициентов задаются на основании экспертной оценки.

Период колебаний размера окна насыщения (Г) в ряде случаев не соответствует периоду наступления реальных событий насыщения канала, поскольку количество срабатываний алгоритмов восстановления (т ) включает в себя и преждевременные срабатывания механизмов восстановления после потерь, что является следствием неверно подобранных коэффициентов расчета характеристик протокола. Во избежание коллапса насыщения, потеря сегментов обрабатывается как насыщение сети, независимо от причин самих потерь.

Сформулируем необходимые условия, при которых использование критерия периода колебаний размера окна насыщения допустимо. Двойная задержка канала (г, у) на к -ом измерении:

где ^(¿,у)- величина односторонней задержки передачи в канале в

направлении от узла / к узлу у, £/*(/, у)- величина односторонней задержки передачи в канале в обратном направлении.

Тк (г, у) описывает последнее выполненное измерение, на основании которого вычисляется двойная задержка в программном экземпляре протокола узла / согласно:

тк (/, л = аКТТ X Ты (/■ Л + (1 - аш) X Тк (г,у),

где (Хш - характеристик протокола.

Пусть ¿/^(г,у) = Су + у), где С^- минимальная задержка прохождения сегмента в канале в направлении от узла г к узлу у; Д^(/,у) - задержка, внесенная ожиданием в очереди активного сетевого оборудования, образующего канал на к -ом измерении. Аналогично определим йк (г,у) = С(. + Д* (г,у),

Тогда Тк(г,Л можно записать в виде: тк (I,Л = ссяттхТы (I, у) + (1 - аКТТ) X (С + Д* (г, у')), где С = С/ + СГ, ДА (г, у) = Д47(г, у) + Д* (г,у).

Размер окна насыщения уменьшается при обнаружении потерь. Время ожидания квитанции на отправленный сегмент, превышение которого сигнализирует о потери сегмента:

лЧил^Рмхт'&л,

где ($кТ0 - характеристик протокола.

Поскольку подтверждение каждого принятого сегмента влечет за собой накладные расходы в виде служебного трафика квитанций, подтверждение выполняется периодически, с интервалом:

где Уат0 - характеристик протокола.

Приведенные выше рассуждения описывают поведение транспортного протокола управления передачей узла г исходя из полученных измерений двойной задержки. Аналогичные рассуждения справедливы для транспортного протокола узла у .

Преждевременное срабатывание механизма контроля насыщения происходит при Як (г,у) < Вк (у,/), когда подтверждение полученных сегментов протоколом узла у выполняется с запозданием (£>'(у.О). превышающим время ожидания этого подтверждения (Ик (/, у)) протоколом узла I.

На основании результатов теоретических исследований и проведенного моделирования предложены характеристики протокола, при которых использование критерия периода колебаний размера окна на-

7

сыщения допустимо: ctRTr = —, уDT0 > 2 , PRT0 > 2х yDT0 .

8

Сделан вывод о необходимости построения имитационной модели для проведения процедур комплексного анализа.

Обобщая существующие наработки в области проведения сравнительного анализа протоколов транспортного уровня в компьютерных сетях с коммутацией пакетов, можно выделить основные требования, предъявляемые к модели, которые необходимо учитывать в процессе ее создания.

Параметрическая конфигурация вероятностных характеристик (задержка передачи, потери, нарушение порядка следования, битовые ошибки).

Механизмы динамического регулирования ширины канала. Административное задание правил маршрутизации. - Псевдослучайный фоновый сетевой трафик.

В диссертационной работе приводится сравнение существующих решений в области эмулирования сетевых каналов, по результатам которого в состав имитационной модели включается сетевой эмулятор TC/Netem.

Из схемы сетевой топологии Dumb-bell, описывающей общий случай двухсегментной сети с общим каналом, выведены две частные сетевые топологии: асимметричное двухканальное соединение с явным разделением принимающего и передающего канала, соединение широкополосным каналом с задержкой.

Для создания виртуализованного окружения имитационной модели сервером виртуализации Хеп на основе технологии паравиртуали-зации, соответствующим образом были подготовлены ядра ОС GNU/Linux. Технология паравиртуализации уменьшает количество переключений между Хеп и гостевой ОС, что дает существенный прирост производительности гостевой ОС.

Далее разрабатывается методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, включающая в себя следующие основные этапы (рис. 1, рис. 2).

Рисунок ] - Схема алгоритма создания системы гостевых доменов сервера виртуализации

1. Задание матрицы Р параметрических характеристик имитационной модели.

Рп ■■■ Ал'

Рп ■•■ Рш • • • >

Рп 2 ■■■ Рп„)

где рц = {Т,1,ё,е,г,Ъ) - параметрическая характеристика канала, связывающего узлы / и / сетевой топологии реальной системы (Т - параметр односторонней задержки, включающий фиксирован-

(

Р =

Рп

Рг\

\Р,л

нуго величину (1Мау) и ее случайное изменение (¿уап-аЫШу); I - параметр потерь; с1 - параметр дубликатов; е - параметр битовых ошибок; г - параметр нарушения порядка следования пакетов; Ь -параметр ширины канала. Будем считать, что р= (0), если узлы г и у не являются смежными (их разделяют узлы маршрутизации).

2. Создание системы виртуальных машин в объеме, необходимом для отображения сетевой топологии имитационной модели.

Рисунок 2 - Схема алгоритма создания системы гостевых доменов сервера виртуализации (продолжение)

3. Выполнение процедур роль-ориентированной настройки виртуальных машин, задание правил маршрутизации внутри сети и параметров дисциплин обслуживания сетевых интерфейсов узлов.

Для упрощения представления матрицы строится взвешенный граф, однозначно соответствующий логической топологии реальной системы.

Методика измерения метрик логического соединения транспортного протокола опирается на результаты применения методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой: предполагается наличие виртуальных машин гостевых доменов участников соединения, генераторов сегментного шума и маршрутизатора трафика доменов. На виртуальных машинах участников соединения устанавливается измерительное ГТО. Порядок выполнения измерений описан в алгоритме проведения измерений метрик программного экземпляра протокола TCP в главе 2.

Предложенные методики направлены на синтез имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой и выполнение измерения метрик логического соединения транспортного протокола управления передачей в синтезированных моделях.

Третья глава посвящена программной реализации разработанной методики параметрического синтеза и методики измерения метрик логического соединения транспортного протокола, а также выполнению процедур настройки сетевой подсистемы ядра и программного окружения компонент имитационной модели. На рис. 3 представлена разработанная имитационная модель.

Согласно разработанной сетевой топологии, в состав тестового стенда входят пять виртуальных машин, занимающих соответствующие гостевые домены монитора виртуальных машин Хеп.

Созданная имитационная модель удовлетворяет заявленным требованиям.

1. Модель допускает параметрическую конфигурацию вероятностных характеристик (задержка передачи, потери, нарушение порядка следования, битовые ошибки) сетевого эмулятора (netem) маршрутизатора (R).

2. Динамическое регулирование ширины канала выполняется дисциплиной обслуживания (TBF) маршрутизатора (R).

3. Правила маршрутизации задаются межсетевому экрану (iptables) маршрутизатора (R).

4. Псевдослучайный фоновый сетевой трафик создается виртуальны ми машинами из числа гостевых доменов (<1отЦ).

Гипервиэор Хео

Журнал

X.

дпир1о1

1 к

ашк, «есЬ ьЬ

Показания

4

и-<

Хост - платформа

с5оти

VI?

<

192.168.2.2 (1рег/, 1срргоЬе)

..йоти

192.168.2.3

Ирег«

vi (

192.168.2.0(24

„ц хе.п1$г0

192,168.2.1 ОрЬаЫев, пе1ет, ТВР)

192.168.1.0/24

47/

192,168.1.2 ПрегР, 1срргоЬе]

192.168.1.3 ИрегЦ

192.168.1.1 (1р1аЫе5, пе(еш, ТВР)

R

Рисунок 3 - Структура имитационной модели

Синтезированная имитационная модель использует совместно технологии паравиртуализации, эмуляции сетевых каналов и подключаемых алгоритмов контроля насыщения.

В четвертой главе выполняется исследование имитационной

модели.

Рассмотрены вопросы валидации созданной имитационной модели с использованием методов установления адекватности и выбран

метод доверительного интервала, который включает в себя следующие действия.

1. Сбор п независимых наборов данных из системы и модели.

2. Вычисление среднего значения наблюдений в каждом наборе системных {X¡) и модельных данных (У• ).

3. Построение доверительного интервала для £ = Цх — /¿¡, с помо-

4. Если 0 g [1{сх),w(or)], наблюдаемая разность pix-/.iY считается статистически значимой на уровне сс. Это эквивалентно отклонению нулевой гипотезы H0(flx — fly) в пользу двусторонней альтернативной гипотезы Н}(/.1Х ^ fly) на этом же уровне сс. Если О е [/(or), и(сс)], то любая наблюдаемая разность /лх—/лу не будет статистически значимой на уровне а и может быть объяснена выборочными флуктуациями.

Построением 90-процентного доверительного интервала [-1.727,0.641] согласно описанному методу показана адекватность представления реальной системы с помощью метода доверительного интервала.

Проведена количественная оценка результатов применения методик, путем сравнительного анализа синтезированной имитационной модели с известными свободными аналогами. В качестве критериев анализа использовались погрешности моделирования заданных сетевых параметров (задержка передачи, ширина полосы пропускания).

Состав проведенных испытаний включает в себя следующие эксперименты.

1. Задание параметра задержки передачи, измерение отклонения от заданного значения, размаха выборки и дисперсии.

2. Задание параметра ширины канала, измерение отклонения от заданного значения, размаха выборки и дисперсии.

шью двустороннего

Z(n) = Х(п) - У(п) .

Разработанный экспериментальный стенд представлен тремя имитационными моделями, по одной на каждый сетевой эмулятор. Различие между представленными моделями заключается в программном обеспечении маршрутизатора (таблица 1). Эксперименты проводятся в гостевых доменах сервера виртуализации Хеп. Синтезированная имитационная модель обозначена кодом К-1.

Таблица 1 - Сравниваемые имитационные модели

Условное обозначение Операционная система маршрутизатора Сетевой эмулятор интерфейсов маршрутизатора

К-1 Debian Lenny (2.6.26) TC/Netem

К-2 Debian Lenny (2.6.26) Dummynet

К-3 Ubuntu Dapper Drake (2.6.15) NISTNet

Во время проведения экспериментов устанавливалась частота системных часов ядра маршрутизатора 100 Гц, 250 Гц, 1000 Гц, чтобы исследовать поведение сравниваемых моделей в различных условиях работы. В качестве параметров во всех моделях были заданы значения задержки 10 мс и ширины канала 1 Мбит/с. Результаты представлены ниже.

Рисунок 4 - Эмуляция канала с задержкой Юме

Чем меньше дисперсия, размах выборки и относительное отклонение наблюдаемых значений, тем лучше имитационная модель приближается к параметрически заданной величине и тем точнее будут результаты имитационного моделирования.

По результатам можно сделать следующие выводы. В эксперименте с задержкой передачи 10 мс модели К-3 и К-1 одинаково хорошо справляются с поставленной задачей, относительное отклонение от заданной задержки передачи К-3 составляет менее 3%, для К-1 эта величина на уровне 3%. Хуже всех с поставленной задачей справляется К-2, в зависимости от заданного частотного параметра его относительное отклонение колеблется в пределах 41%. На малой и средней частотах размах выборки К-1 в 10 раз меньше, чем у К-2 и К-3. Дисперсия К-1 в 10 раз меньше, чем дисперсия К-3 на всех частотах, то же касается и К-2, за исключением частоты 1000 Гц.

В эксперименте с ограничением ширины канала 1 Мбит/с модель К-1 демонстрирует лучший результат на всех частотах, относительное отклонение держится на уровне 1%. Средние показатели К-3 и К-2 совпадают и соответствуют относительному отклонению в 2%. На малой частоте К-1 обладает дисперсией в 2 раза меньшей. На всех частотах размах выборки К-1 меньше (2). Самый большой размах выборки соответствует К-3 (12).

Как можно заметить (рис. 4, рис. 5), созданная имитационная модель (К-1) обладает лучшим приближением к параметрически заданной величине в задачах ограничения ширины канала и задержки передачи, обладая меньшей дисперсией и размахом выборки.

В главе 4 проведено сравнение стандартных подключаемых алгоритмов контроля насыщения ОС GNU/Linux согласно интегральному критерию комплексного анализа. Сравнение проводилось в синтезированной имитационной модели. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты сравнения подключаемых алгоритмов

контроля насыщения ОС GNU/Linux

Алгоритм £ F Г A f J

bic 0.1518 0.9919 0.7332 0.0354 0.1313 176,895

cubic 0.1387 0.9999 0.6419 0.0807 0.5282 190,111

highspeed 0.1512 0.9995 0.9589 0.0681 0.4925 220,362

hybla 0.1425 0.9991 0.9111 0.0726 0.5485 217,795

htcp 0.1559 0.9877 0.9387 0.0486 0.2505 204,403

Illinois 0.1803 0.9479 0.9293 0.018 0.1216 194,132

Ip 0.1469 0.9904 0.8831 0.0501 0.6355 217,514

scalable 0.1604 0.9812 0.9399 0.0677 0.3703 211,78

vegas 0.1384 0.9999 0.9593 0.0743 0.9167 240,798

veno 0.1474 0.9983 0.958 0.0616 0.3667 213,051

westwood 0.1449 0.9982 0.9021 0.0574 0.6933 223,239

yeah 0.1577 0.9848 0.8835 0.0494 0.2035 196,537

Измерения проводились при ширине канала 2 Мбит/с и задержке 10 мс. Весовые коэффициенты: /се=100, /^=80, /сг=100,

кА—1§, кг — 50 . По результатам сравнения предложен подключаемый алгоритм контроля насыщения vegas.

В заключении диссертации сформулированы основные выводы и полученные результаты.

В приложениях приведены листинги программной реализации методик и программного комплекса «Сателлит»; акты внедрения результатов диссертационной работы; полученные сертификаты, под-

тверждающие компетенцию исполнителя; свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, а также копия наградного диплома министерства образования и науки Российской Федерации и копия удостоверения лауреата золотой медали ВВЦ-2009 за отдельные научные результаты, полученные входе выполнения диссертационной работы.

Основные результаты н выводы В диссертационной работе предложено решение научной проблемы создания методик комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux при управлении информационными каналами с задержкой. При этом получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Формализован интегральный критерий комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения в информационных каналах с задержкой.

2. Предложена и валидирована методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой на основе технологий паравиртуализации, эмуляции сетевых каналов и подключения алгоритмов контроля насыщения.

3. Разработана методика измерения метрик логического соединения транспортного протокола на основе управления фоновым сегментным шумом, что позволяет в реальном времени отслеживать влияние регулируемого, а не статического, как в стандартных инструментах диагностики сети, фонового сегментного шума на характеристики транспортного протокола исследуемого алгоритма контроля насыщения.

4. Создана сетевая топология имитационной модели асимметричных и широкополосных каналов с задержкой на основе топологии двух-сегментной сети, включающая асимметричное двухканальное соединение с явным разделением принимающего и передающего канала, а также соединение широкополосным каналом с задержкой.

5. Разработана программная реализация сценариев параметрической конфигурации доменов сервера виртуализации, а также диагностики и наладки сетевых подключений, агрегации результатов экспериментальных испытаний.

6. Разработана и выполнена программная реализация сценариев вали-дации имитационной модели. По результатам валидации показано, что дисперсия и размах выборки наблюдений задержки передачи

синтезированной имитационной модели в 10 раз меньше чем у ближайших аналогов. Относительное отклонение от заданной задержки передачи на малой и средней частоте системных часов составляет не более 4%. В задаче ограничения ширины канала модель также демонстрирует лучшие, по сравнению с известными аналогами, результаты с относительным отклонением не более 2% и с меньшим размахом выборки.

7. Разработана имитационная модель, позволяющая провести комплексный анализ подключаемых алгоритмов контроля насыщения, и по результатам моделирования определен эффективный подключаемый алгоритм контроля насыщения.

8. Результаты диссертационной работы внедрены в ООО «ХайТек-Диджит», в учебный процесс кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» (ИПОВС) Московского государственного института электронной техники, в НИР «Асимметричный доступ в Интернет при использовании канала спутниковой связи» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ОСНОВНЫМ РЕЗУЛЬТАТАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Соляков A.A. Исследование комплексной интеграционной и прикладной платформы SAP NetWeaver // Материалы конференции «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем». Зеленоград, МИЭТ, 2007. —С. 155.

2. Соляков A.A., Кукушкин Е.С. Применение определяемых пользователем типов данных в объектно-реляционных СУБД при создании систем информационного мониторинга // Естественные и технические науки. - М.: Спутники-. 2008. № 3. С. 345.

3. Соляков A.A. Эволюционные вычисления в поиске субоптимальных решений // Сборник научных трудов «Информационные технологии и инноватика: проблемы, перспективы, решения». Зеленоград, МИЭТ, 2009. — С. 147-151.

4. Соляков А.А. Ключевые аспекты проектирования интегрированных информационных пространств // Актуальные проблемы современной науки. - М.: Спутник+. 2008. № 5. С. 210-211.

5. Соляков А.А. Проблемы использования ТСР в ДТК // Естественные и технические науки. - М.: Спутник+. 2010. № 2. С. 417-418.

6. Соляков А.А. Туннелирование с использованием модуля TITN/TAP ядра ОС GNU/Linux // Естественные и технические науки. - М.: Спутник+. 2010. № 4. С. 318-319.

7. Соляков А.А. Управление сетевыми параметрами протокола ТСР ядра ОС GNU/Linux // Естественные и технические науки. - М.: Спутник+. 2010. № 4. С. 320-321.

8. Соляков А.А. Обзор алгоритмов бесклассовых дисциплин обслуживания сетевых потоков ОС GNU/Linux // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. - М.: Спутник+. 2010. № 7. С. 391-393.

9. Соляков А.А. Создание обобщенного каркаса информации средствами системы описания ресурсов RDF (Resource Description Framework) // Материалы IX всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям [Электронный ресурс]. — Кемерово, Институт вычислительных технологий СО РАН, 2008. — http://www.nsc.ru/ws/show_abstract.dhtml?ru+l 89+14081

10. Соляков А.А. Асимметричные LFN-сети // Материалы международной НПК «Приоритетные направления развития современной науки». — Чебоксары, МГУТУ, 2010. — С. 179.

11. Соляков А.А. Дисциплина стохастического честного обслуживания очереди сетевого интерфейса ОС GNU/Linux'// Сборник материалы II международной студенческой научно-практической конференции «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания». — Новосибирск, ЦРНС, 2010. — С. 198-199.

12. Соляков А.А. Основы управления сетевым обменом средствами ОС GNU/Linux II Сборник материалов IV международной научно-практическая конференции «Наука и современность-2010». Новосибирск, ЦРНС, 2010. — С. 400-402.

13. Соляков А.А. Выработка критериев комплексной оценки подключаемых алгоритмов контроля насыщения // Материалы международной научной школы «Микроэлектронные информационно-

управляющие системы и комплексы». Зеленоград, МИЭТ, 2010. — С 143.

14. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009612672 «Программный комплекс «Сателлит»/ Гагарина Л.Г., Соляков A.A.; заявитель и правообладатель ГОУ ВПО Московский государственный институт электронной техники (технический университет) - заявка № 2009611527, заявл. 9.04.2009; зарег. 27.05.2009.

15. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009613874 «ЕИСМ «Basis»/ Гагарина Л.Г., Соляков A.A., Сидо-рова-Виснадул Б.Д., Сидоров-Виснадул С.В., Фоминова Н.С., Ма-рамыгина Е.И.; заявитель и правообладатель ГОУ ВПО Московский государственный институт электронной техники (технический университет) - заявка № 2009612481, заявл. 26.05.2009; зарег. 17.07.2009.

Подписано в печать:

Заказ №даТираж/(?С|экз. Уч.-изд. л.(Ч Формат 60x84 1/16 Отпечатано в типографии МИЭТ 124498, Москва, МИЭТ

Введение.

1. Современное состояние теоретических и прикладных исследований алгоритмических компонент механизма контроля насыщения

1.1. Обзор проблемно-ориентированных исследований.

1.2. Таксономия алгоритмов контроля насыщения

1.3. Постановка задачи диссертационного исследования.

Выводы по главе 1.

2. Разработка теоретических основ комплексного анализа алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux

2.1. Разработка интегрального критерия комплексного анализа алгоритмов контроля насыщения.

2.2. Разработка сетевой топологии модели асимметричного и широкополосного канала с задержкой.

2.3. Разработка методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой

2.4. Разработка методики измерения метрик логического соединения транспортного протокола на платформе GNU/Linux . 50 Выводы по главе 2.

3. Программная реализация методик комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения

3.1. Разработка имитационной модели широкополосного информационного канала с задержкой

3.2. Настройка сетевой подсистемы ядра маршрутизатора и программного окружения участников соединения.

3.3. Программная реализация генератора сегментного шума . 70 Выводы по главе 3.

4. Результаты экспериментального исследования эффективности предложенных методик

4.1. Определение способа оценки адекватности модели

4.2. Валидация имитационной модели широкополосного информационного канала с задержкой

4.3. Оценка эффективности синтезированной модели широкополосного информационного канала с задержкой

4.4. Выбор эффективного алгоритма контроля насыщения по результатам экспериментов

Выводы по главе 4.

Актуальность работы. В современных условиях управление информационными потоками в сети, как правило, осуществляется с использованием транспортного протокола управления передачей (TCP), организующего гарантированную доставку отправленных данных. В состав протокола входят алгоритмы, выполняющие контроль приема и передачи данных. Алгоритм контроля насыщения является одним из таких алгоритмов TCP.

Под насыщением канала понимается превышение программно-аппаратных ограничений активного сетевого оборудования (маршрутизаторы, коммутаторы), образующего канал. Насыщение канала сопровождается отбрасыванием сетевых пакетов, что для конечного пользователя выражается в снижении скорости передачи данных, вызванной повторами передачи отброшенных пакетов. Негативные последствия насыщения можно уменьшить, выполняя оперативное регулирование интенсивности передачи данных. Механизм контроля насыщения выполняет названное регулирование па стороне отправителя сегментов протокола.

Результаты проведенного анализа показали, что в настоящее время не существует универсального алгоритма контроля насыщения. Поскольку передача данных может быть организована в условиях больших задержек передачи, постоянных потерь и других проблем, то рассматривают множество алгоритмов контроля насыщения, каждый из которых позволяет наиболее эффективно выполнять поставленную за-дачу в определенных условиях. В состав программной реализации протокола TCP входит один из алгоритмов множества. Такую реализацию называют модификацией протокола TCP по названию применяемого алгоритма контроля насыщения ([1-6]), например модификация CUBIC TCP или модификация Reno TCP.

Современными проблемами алгоритмов контроля насыщения являются медленное восстановление после потерь в широкополосном канале с задержкой передачи и неэффективное использование ширины асимметричного канала передачи.

Поискам решений обозначенных проблем посвящены работы [7-14]. Анализ технологий управления передачей данных в современных ОС показал, что решение указанных проблем возможно для ОС GNU/Linux. Разработчики сетевой подсистемы ядра ОС GNU/Linux вынесли программную реализацию алгоритмов контроля насыщения за пределы основного кода протокола и предоставили программный интерфейс взаимодействия с ним. Вынесенные алго-ритмы получили название подключаемых алгоритмов контроля насыщения. Появление интерфейса взаимодействия позволило существенно упростить написание программного кода алгоритма контроля насыщения, вследствие чего их общее количество заметно возросло.

Разработка нового подключаемого алгоритма контроля насыщения сопровождается экспериментальным сравнением с рядом существующих решений ([2,15-24]). Однако сопоставление результатов экспериментальных исследований нередко затруднено ввиду отсутствия общих критериев анализа, а также методов организации самих экспериментальных исследований подключаемых алгоритмов контроля насыщения.

Поэтому представляются актуальными исследования, направленные на выработку критериев и создание методик комплексного анализа алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux при управлении информационными каналами с задержкой.

В дальнейшем, при должной поддержке со стороны разработчиков других ОС, технология подключения алгоритмов контроля насыщения получит более широкое применение, и результаты диссертационной работы смогут быть использованы для комплексного анализа алгоритмов контроля насыщения соответствующих ОС, поскольку проблемы контроля насыщения останутся.

Цель диссертационной работы. Целью диссертации является разработка методик комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux при управлении информационными каналами с задержкой, позволяющих проводить, а также сопоставлять результаты экспериментальных исследований подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux согласно критериям комплексного анализа и выбирать эффективные механизмы контроля насыщения.

Для достижения поставленной цели были выделены следующие задачи диссертационного исследования.

1. Анализ теоретического материала, накопленного в области алгоритмизации методов и способов контроля насыщения множества модификаций транспортного протокола управления передачей.

2. Разработка интегрального критерия комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, позволяющего исследовать эффективность алгоритмических компонент механизма контроля насыщения транспортного протокола.

3. Разработка методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, на основе технологии паравиртуализации/эмуляции сетевых каналов и подключения алгоритмов контроля насыщения ОС GNU/Linux.

4. Разработка методики измерения метрик логического соединения транспортного протокола при управлении фоновым сегментным шумом.

5. Разработка программного комплекса, позволяющего поддерживать сетевой обмен в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой согласно заданным параметрам с использованием расширений стандартной библиотеки, обеспечивающих перенос программного комплекса на различные платформы.

Научная новизна. Научная новизна проведенного исследования заключается в создании совокупности научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих повышение эффективности выполнения процедур анализа механизмов контроля насыщения в ОС GNU/Linux.

В ходе диссертационных исследований получены следующие новые научные результаты.

1. Предложен новый интегральный критерий комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, позволяющий исследовать эффективность механизмов контроля насыщения транспортного протокола.

2. Разработана методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, впервые использующая совместно технологии паравиртуализации, эмуляции сетевых каналов и подключаемых алгоритмов контроля насыщения ОС GNU/Linux, что делает возможным выполнение созданных имитационных сетевых моделей на одной физической вычислительной машине, с меньшими, по сравнению со средами ограниченного исполнения и эмуляторами, затратами вычислительных ресурсов.

3. Разработана новая методика измерения метрик логического соединения транспортного протокола на основе управления фоновым сегментным шумом, что позволяет в реальном времени отслеживать влияние регулируемого, а не статического, как в стандартных инструментах диагностики сети, фонового сегментного шума на характеристики транспортного протокола исследуемого алгоритма контроля насыщения.

4. Разработан новый программный комплекс, позволяющий поддерживать сетевой обмен в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой согласно заданным параметрам, с использованием расширений стандартной библиотеки, что позволяет переносить программный комплекс на различные платформы в отличие от стандартных инструментов диагностики сети.

5. Разработана имитационная модель, позволяющая выполнять процедуры комплексного анализа механизмов контроля насыщения транспортного протокола управления передачей.

6. Показано, что разработанные методики и алгоритмы позволяют снизить на порядок дисперсию наблюдаемой двойной задержки. Относительное отклонение от заданной задержки передачи составляет не более 4%.

7. По результатам моделирования и теоретических исследований выделен эффективный подключаемый алгоритм контроля насыщения транспортного протокола управления передачей для ОС GNU/Linux.

Практическая значимость. Практическая значимость заключается в том, что применение предложенных технических решений позволяет создавать модели, способные имитировать задержки передачи, потери пакетов, битовые ошибки передачи, нарушение порядка следования пакетов и многие другие проблемы, встречающиеся в реальных компьютерных сетях, что позволяет обслуживать широкий круг задач моделирования с привлечением технологии паравиртуализации.

Разработанные методики позволяют сопоставлять результаты экспериментальных исследований подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux согласно критериям комплексного анализа с целью выбора наилучших решений проблемы контроля насыщения.

Гибкость и универсальность предложенных в работе решений делает возможным их применение в самых различных технологических процессах и производствах, в частности при реализации сетевой подсистемы встраиваемых систем: средства автоматического регулирования и управления техпроцессами, станки с ЧПУ, банкоматы, платежные терминалы, телекоммуникационное оборудование.

Результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Результаты проведенного теоретического анализа показали, что наличие большого числа подключаемых алгоритмов контроля насыщения требует формализации процедур их сравнения.

2. Разработка интегрального критерия комплексного анализа и имитационной модели позволяет создать необходимую базу для построения процедур объективного сравнения различных подключаемых алгоритмов контроля насыщения.

3. Разработка методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, методики измерения метрик логического соединения транспортного протокола и программного комплекса "Сателлит" позволяет научно обоснованно оценивать изменения характеристик транспортного протокола исследуемого алгоритма контроля насыщения.

4. Разработанная программная реализация методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой позволяет на порядок снизить дисперсию наблюдаемой двойной задержки с относи-тельным отклонением от заданного значения не более 4%.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на пяти международных и одной всероссийской конференциях.

1. IX всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям. Кемерово, Институт вычислительных технологий СО РАН, 2008 г.

2. Международная конференция "Life IT". Hagen, Fern Universität, 2009.

3. Международная научно-практическая конференция "Приоритетные направления развития современной науки". Чебоксары, МГУТУ, 2010г.

4. II международная студенческая научно-практическая конференция "Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания". Новосибирск, ЦРНС, 2010г.

5. IV международная научно-практическая конференция "Наука и совре-менность-2010". Новосибирск, ЦРНС, 2010г.

6. Международная научная школа "Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы". Зеленоград, МИЭТ, 2010г.

Результаты диссертационной работы использованы в: НИР "Асимметричный доступ в Интернет при использовании канала спутниковой связи", выполненной в рамках Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы; учебном процессе Московского государственного института электронной техники при чтении лекций кафедры "Информатика и программное обеспечение вычислительных систем" (ИПОВС) по курсам "Сети ЭВМ" и "Операционные системы, среды и оболочки"; ООО "ХайТекДиджит".

Внедрение подтверждено актами.

Отдельные результаты диссертации отмечены золотой медалью на выставке ВВЦ-2009, а также грантом президента Российской Федерации первой степени на выставке НТТМ-2008.

В результате выполнения работы получены сертификаты.

1. Junior Level Linux Professional (LPIC-1).

2. Advanced Level Linux Professional (LPIC-2).

3. Senior Level Linux Professional (LPIC-3).

4. Novell Certified Linux Administrator (Novell CL A).

5. Data Center Technical Specialist.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ (12 работ без соавторов), в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах ВАК.

Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ заявка 2009611527 "Программный комплекс "Сателлит" от 9.04.2009г.

Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ заявка 2009612481 "ЕИСМ "Basis" от 26.05.2009г.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются.

1. Предложен новый интегральный критерий комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, позволяющий исследовать эффективность программной реализации алгоритмических компонент механизма контроля насыщения транспортного протокола.

2. Разработана методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой. Обоснованы требования к имитационной сетевой модели и создана сетевая топология модели.

3. Разработана методика измерения метрик логического соединения транспортного протокола с привлечением свободного программного обеспечения ОС GNU/Linux.

4. Разработан новый программный комплекс, позволяющий поддерживать сетевой обмен в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой.

5. Показано, что разработанные методики и алгоритмы позволяют снизить на порядок дисперсию двойной задержки с относительным отклонением от заданного значения не более 4%.

6. Разработана имитационная модель, позволяющая провести комплексный анализ подключаемых алгоритмов контроля насыщения.

7. По результатам определен эффективный подключаемый алгоритм контроля насыщения.

8. Автор лично принимал участие в разработке, отладке, тестировании и внедрении созданных по результатам диссертационной работы программных средств.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложений, содержащих листинги программ и акты внедрения результатов работы. Основная работа изложена на 112 страницах, содержит 5 таблиц и 22 рисунка.

Выводы по главе 4

1. Валидирована методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой на основе технологий паравиртуализации, эмуляции сетевых каналов и подключения алгоритмов контроля насыщения.

2. По результатам валидации показано, что дисперсия и размах выборки наблюдений задержки передачи синтезированной имитационной модели в 10 раз меньше чем у ближайших аналогов. Относительное отклонение от заданной задержки передачи на малой и средней частоте системных часов составляет не более 4%. В задаче ограничения ширины канала модель также демонстрирует лучшие, по сравнению с известными аналогами, результаты с относительным отклонением не более 2% и с меньшим размахом выборки.

3. По результатам моделирования определен эффективный подключаемый алгоритм контроля насыщения vegas.

Заключение

В ходе выполнения диссертационных исследований получены следующие основные результаты:

Формализован интегральный критерий комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения в информационных каналах с задержкой.

Предложена и валидирована методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой на основе технологий паравиртуализации, эмуляции сетевых каналов и подключения алгоритмов контроля насыщения.

Разработана методика измерения метрик логического соединения транспортного протокола на основе управления фоновым сегментным шумом, что позволяет в реальном времени отслеживать влияние регулируемого, а не статического, как в стандартных инструментах диагностики сети, фонового сегментного шума на характеристики транспортного протокола исследуемого алгоритма контроля насыщения.

Создана сетевая топология имитационной модели асимметричных и широкополосных каналов с задержкой на основе топологии двухсегмент-ной сети, включающая асимметричное двухканальное соединение с явным разделением принимающего и передающего канала, а также соединение широкополосным каналом с задержкой.

Разработана программная реализация сценариев параметрической конфигурации доменов сервера виртуализации, а также диагностики и наладки сетевых подключений, агрегации результатов экспериментальных испытаний.

Разработана и выполнена программная реализация сценариев валидации имитационной модели. По результатам валидации показано, что дисперсия и размах выборки наблюдений задержки передачи синтезированной имитационной модели в 10 раз меньше чем у ближайших аналогов. Относительное отклонение от заданной задержки передачи на малой и средней частоте системных часов составляет не более 4%. В задаче ограничения ширины канала модель также демонстрирует лучшие, по сравнению с известными аналогами, результаты с относительным отклонением не более 2% и с меньшим размахом выборки.

Разработана имитационная модель, позволяющая провести комплексный анализ подключаемых алгоритмов контроля насыщения, и по результатам моделирования определен эффективный подключаемый алгоритм контроля насыщения.

Результаты диссертационной работы внедрены в ООО "ХайТекДиджит", в учебный процесс кафедры "Информатика и программное обеспечение вычислительных систем" (ИПОВС) Московского государственного института электронной техники, в НИР "Асимметричный доступ в Интернет при использовании канала спутниковой связи" в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы.

1. Ha S., Rhee I., Xu L. CUBIC: a new TCP-friendly high-speed TCP variant // SIGOPS Oper. Syst. Rev. 2008. Vol. 42, no. 5. Pp. 64-74.

2. Bhandarkar S., Jain S., Reddy A. L. N. LTCP: improving the performance of TCP in highspeed networks // SIGCOMM Comput. Commun. Rev. 2006. Vol. 36, no. 1. Pp. 41-50.

3. Kuzmanovic A., Knightly E. W. TCP-LP: low-priority service via end-point congestion control // IEEE/ACM Trans. Netw. 2006. Vol. 14, no. 4. Pp. 739-752.

4. Casetti C., Gerla M., Mascolo S. et al. TCP westwood: end-to-end congestion control for wired/wireless networks // Wirel. Netw. 2002. Vol. 8, no. 5. Pp. 467-479.

5. Li Y.-T., Leith D., Shorten R. N. Experimental evaluation of TCP protocols for high-speed networks // IEEE/ACM Trans. Netw. 2007. Vol. 15, no. 5. Pp. 1109-1122.

6. Bateman M., Bhatti S., Bigwood G. et al. A comparison of TCP behaviour at high speeds using ns-2 and Linux // CNS '08: Proceedings of the 11th communications and networking simulation symposium. New York, NY, USA: ACM, 2008. Pp. 30-37.

7. Feng W., Tinnakornsrisuphap P. The failure of TCP in high-performance computational grids // Supercomputing '00: Proceedings of the 2000 ACM/IEEE conference on Supercomputing (CDROM). Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 2000. P. 37.

8. Chan E. W., Luo X., Chang R. K. A minimum-delay-difference method for mitigating cross-traffic impact on capacity measurement // CoNEXT '09:

9. Proceedings of the 5th international conference on Emerging networking experiments and technologies. New York, NY, USA: ACM, 2009. Pp. 205-216.

10. Zhang J., Honeyman P. NFSv4 replication for grid storage middleware // MCG '06: Proceedings of the 4th international workshop on Middleware for grid computing. New York, NY, USA: ACM, 2006. P. 8.

11. Bassi S., Labrador M. A. Setting up a WeblOO-Dummynet testbed for research in transport layer protocols // ACM-SE 43: Proceedings of the 43rd annual Southeast regional conference. New York, NY, USA: ACM, 2005. Pp. 65-69.

12. Rizzo L. Dummynet: a simple approach to the evaluation of network protocols // SIGCOMM Comput. Commun. Rev. 1997. Vol. 27, no. 1. Pp. 31-41.

13. Armitage G., Stewart L. Some thoughts on emulating jitter for user experience trials // NetGames '04: Proceedings of 3rd ACM SIGCOMM workshop on Network and system support for games. New York, NY, USA: ACM, 2004. Pp. 157-160.

14. Christiansen M., Jeffay K., Ott D., Smith F. D. Tuning RED for Web traffic // IEEE/ACM Trans. Netw. 2001. Vol. 9, no. 3. Pp. 249-264.

15. Wei D. X., Jin C., Low S. H., Hegde S. FAST TCP: motivation, architecture, algorithms, performance // IEEE/ACM Trans. Netw. 2006. Vol. 14, no. 6. Pp. 1246-1259.

16. Jaiswal S., Iannaccone G., Diot C. et al. Measurement and classification of out-of-sequence packets in a tier-1 IP backbone // IEEE/ACM Trans. Netw. 2007. Vol. 15, no. 1. Pp. 54-66.

17. Schroeder B., Harchol-Balter M. Web servers under overload: How schedulingcan help // ACM Trans. Internet Technol. 2006. Vol. 6, no. 1. Pp. 20-52.

18. Shenker S., Zhang L., Clark D. D. Some observations on the dynamics of a congestion control algorithm // SIGCOMM Comput. Commun. Rev. 1990. October. Vol. 20. Pp. 30-39.

19. Luong D. D. Analysis and Application of Congestion Measures // Proceedings of the Seventh International Symposium on Computers and Communications (ISCC'02). ISCC '02. Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 2002. Pp. 843-.

20. Allman M., Paxson V., Stevens W. TCP Congestion Control: Tech. rep.: Internet Engineering Task Force, 1999.

21. Allman M., Floyd S., Partridge C. Increasing TCP's Initial Window Size: Tech. rep.: Internet Engineering Task Force, 1998.

22. Jacobson V., Braden R. TCP Extensions for Long-Delay Paths: Tech. rep.: Internet Engineering Task Force, 1988.

23. Соляков А. Проблемы использования TCP в ДТК // Естественные и технические науки. 2010. № 2. С. 417-418.

24. Performance of TCP over Lossy Upstream and Downstream Links with Link-Level Retransmissions // Proceedings of the 8th IEEE International Conference on Networks. Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 2000. P. 3.

25. Соляков А. Эволюционные вычисления в поиске субоптимальных решений // Сборник научных трудов "Информационные технологии и инно-ватика: проблемы, перспективы, решения". МИЭТ, 2009. С. 147—151.

26. Nagle J. Congestion Control in IP/TCP Internetworks: Tech. rep.: Internet Engineering Task Force, 1984.

27. Соляков А. Асимметричные LFN-сети // Материалы международной НИК "Приоритетные направления развития современной науки". Чебоксары: МГУТУ, 2010. С. 179.

28. Manoj К., Sharma S. С. Simulation-Based Analysis of Impact of Random Loss // Proceedings of the 2008 First International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology. Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 2008. Pp. 828-833.

29. Why TCP Timers Don't Work Well. 1986.

30. Jain R. Divergence of Timeout Algorithms for Packet Retransmissions // Fifth Phoenix Conf. on Сотр. and Comm.

31. Karn P., Partridge C. Estimating Round-Trip Times in Reliable Transport Protocols // SIGCOMM.

32. Lahanas, Tsaoussidis. Exploiting the efficiency and fairness potential of

33. AIMD-based congestion avoidance and control // Computer Networks. 2003. Vol. 43, no. 2. Pp. 227-245.

34. Altman E., El Azouzi R., Ros D., Tuffin B. Loss strategies for competing AIMD flows // Computer Networks. 2006. August. Vol. 50. Pp. 1799-1815.

35. Liu C., Modiano E. On the performance of additive increase multiplicative decrease (AIMD) protocols in hybrid space-terrestrial networks // Computer Networks ISDN Syst. 2005.-April. Vol. 47. Pp. 661-678.

36. Kesselman A., Mansour Y. Adaptive AIMD congestion control // Proceedings of the twenty-second annual symposium on Principles of distributed computing. PODC '03. New York, NY, USA: ACM, 2003. Pp. 352-359.

37. Joo C., Bahk S. Analysis of start-up transition dynamics of TCP NewReno // Computer Networks. 2001. Vol. 36, no. 2-3. Pp. 237-250.

38. Sheu T.-L., Wu L.-W. An analytical model of fast retransmission and recovery in TCP-SACK // Perform. Eval. 2007. Vol. 64, no. 6. Pp. 524-546.

39. Bansal D., Balakrishnan H., Floyd S., Shenker S. Dynamic behavior of slowly-responsive congestion control algorithms // SIGCOMM Comput. Commun. Rev. 2001.-August. Vol. 31. Pp. 263-274.

40. Hatano T., Shigeno H., Okada K.-i. TCP-friendly Congestion Control for Highspeed Network // SAINT '07: Proceedings of the 2007 International Symposium on Applications and the Internet. Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 2007. P. 10.

41. Samios C. B., Vernon M. K. Modeling the throughput of TCP Vegas // SIGMETRICS Perform. Eval. Rev. 2003.-June. Vol. 31. Pp. 71-81.

42. Li J.-S., Ma C.-W. Improving fairness of TCP Vegas // Int. J. Netw. Manag. 2005. — January. Vol. 15. Pp. 3-10.

43. Grieco L. A., Mascolo S. Performance evaluation and comparison of West-wood+, New Reno, and Vegas TCP congestion control // SIGCOMM Com-put. Commun. Rev. 2004.-April. Vol. 34. Pp. 25-38.

44. Low S. H., Peterson L. L., Wang L. Understanding TCP Vegas: a duality model // J. ACM. 2002.-March. Vol. 49. Pp. 207-235.

45. Tsang E. C. M. A Simulation Study on the Throughput Fairness of TCP Vegas // Proceedings of the 9th IEEE International Conference on Networks. ICON '01. Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 2001. P. 469.

46. Sharma V., Purkayastha P. Stability and Analysis of TCP Connections with RED Control and Exogenous Traffic // Queueing Syst. Theory Appl. 2004. —

47. November. Vol. 48. Pp. 193-235.

48. Sharma V., Virtamo J., Lassila P. PERFORMANCE ANALYSIS OF THE RANDOM EARLY DETECTION ALGORITHM // Probab. Eng. Inf. Sci. 2002. July. Vol. 16. Pp. 367-388.

49. Abouzeid A. A., Roy S. Modeling random early detection in a differentiated services network // Comput. Netw. 2002. — November. Vol. 40. Pp. 537-556.

50. Christiansen M., Jeffay K., Ott D., Smith F. D. Tuning RED for Web traffic // IEEE/ACM Trans. Netw. 2001. —June. Vol. 9. Pp. 249-264.

51. Bouras C., Sevasti A. Performance analysis of relative service using TCP-aware marking and dynamic WRED // Int. J. Commun. Syst. 2009. — March. Vol. 22. Pp. 277-305.

52. Соляков А. Исследование комплексной интеграционной и прикладной платформы SAP Net Weaver // Материалы конференции "Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем". МИЭТ, 2007. С. 155.

53. Karnik A., Kumar A. Performance of TCP congestion control with explicit rate feedback // IEEE/ACM Trans. Netw. 2005.-February. Vol. 13. Pp. 108-120.

54. Altman E. Analysis of two competing TCP/IP connections // Perform. Eval. 2002. — September. Vol. 49. Pp. 43-55.

55. Mellia M., Meo M., Muscariello L., Rossi D. Passive analysis of TCP anomalies // Comput. Netw. 2008.— October. Vol. 52. Pp. 2663-2676.

56. Zhang K., Fu C. P. Dynamics analysis of TCP Veno with RED // Comput.

57. Commun. 2007. December. Vol. 30. Pp. 3778-3786.

58. De Vendictis A., Baiocchi A., Bonacci M. Analysis and enhancement of TCP Vegas congestion control in a mixed TCP Vegas and TCP Reno network scenario // Perform. Eval. 2003.—August. Vol. 53. Pp. 225-253.

59. Kumar A. Comparative performance analysis of versions of TCP in a local network with a lossy link // IEEE/ACM Trans. Netw. 1998, —August. Vol. 6. Pp. 485-498.

60. Floyd S., Kohler E. Internet research needs better models // SIGCOMM Comput. Commun. Rev. 2003. Vol. 33, no. 1. Pp. 29-34.

61. Balakrishnan H., Padmanabhan V. N., Fairhurst G., Sooriyabandara M. Internet Draft: TCP Performance Implications of Network Asymmetry: Tech. rep.: Internet Engineering Task Force, 2001.

62. Clincy V. A., Abu-Halaweh N. A Taxonomy of free Network Sniffers for teaching and research //J. Comput. Small Coll. 2005. — October. Vol. 21. Pp. 64-75.

63. Fuentes F., Kar D. C. Ethereal vs. Tcpdump: a comparative study on packet sniffing tools for educational purpose //J. Comput. Small Coll. 2005.— April. Vol. 20. Pp. 169-176.

64. Hards B. A guided tour of ethereal // Linux J. 2004. — February. Vol. 2004. P. 7.

65. Krishnakumar R. Kernel korner: kprobes-a kernel debugger // Linux J. 2005. —May. Vol. 2005. P. 11.

66. Klauser W. The /proc file system // Sys Admin. 1998. —June. Vol. 7. Pp. 32-35.

67. Han Y.-T., Lee E.-M., Park H.-S. et al. Experimental evaluation of end-to-end available bandwidth measurement tools // Proceedings of the 12th

68. Asia-Pacific network operations and management conference on Management enabling the future internet for changing business and new computing services. APNOMS'09. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2009. Pp. 498-501.

69. Соляков А., Кукушкин E. Применение определяемых пользователем типов данных в объектно-реляционных СУБД при создании систем информационного мониторинга // Естественные и технические науки. 2008. № 3. С. 345.

70. Соляков А. Ключевые аспекты проектирования интегрированных информационных пространств // Актуальные проблемы современной науки. 2008. № 5. С. 210-211.

71. Liu F., Zhou W., Zhou M. A xen-based data sharing 38; access controlling method // IITA'09: Proceedings of the 3rd international conference on Intelligent information technology application. Piscataway, NJ, USA: IEEE Press, 2009. Pp. 7-10.

72. Hoskins M. Simple virtual appliances with Linux and Xen // Linux J. 2010, —January. Vol. 2010.

73. Menon A., Cox A. L., Zwaenepoel W. Optimizing network virtualization in Xen // ATEC '06: Proceedings of the annual conference on USENIX '06 Annual Technical Conference. Berkeley, CA, USA: USENIX Association, 2006. Pp. 2-2.

74. Ballani H., Francis P. CONMan: taking the complexity out of network management // INM '06: Proceedings of the 2006 SIGCOMM workshop on Internet network management. New York, NY, USA: ACM, 2006. Pp. 41-46.

75. Ballani H., Francis P. CONMan: a step towards network manageability // SIGCOMM Comput. Commun. Rev. 2007.-August. Vol. 37. Pp. 205-216.

76. Соляков А. Обзор алгоритмов бесклассовых дисциплин обслуживания сетевых потоков ОС GNU/Linux // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2010. № 7. С. 391—393.

77. Соляков А. Исследование протокола TCP-CUBIC средствами ОС GNU/Linux // Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России. 2011.

78. Соляков А. Алгоритм управления окном насыщения протокола надежной передачи данных TCP-CUBIC // Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России. 2011.

79. Соляков А. Управление сетевыми параметрами протокола TCP ядра ОС GNU/Linux // Естественные и технические науки. 2010. № 4. С. 320-321.

80. Paxson V., Allman М. Computing TCP's Retransmission Timer: Tech. rep.: Internet Engineering Task Force, 2000.

81. Allman M., Glover D., Sanchez L. Enhancing TCP Over Satellite Channels using Standard Mechanisms: Tech. rep.: Internet Engineering Task Forcc, 1999.

82. Clark D. Window and Acknowledgment Strategy in TCP: Tech. rep.: Internet Engineering Task Force, 1982.

83. Mathis M., Mahdavi J., Floyd S., Romanow A. TCP Selective Acknowledgment Options: Tech. rep.: Internet Engineering Task Force, 1996.

84. Law A. M., Kelton D. M. Simulation Modeling and Analysis. McGraw-Hill Higher Education, 1999. ISBN: 0070592926.

85. Eshete A., Arcia A., Ros D., Jiang Y. Impact of WiMAX network asymmetry on TCP // WCNC'09: Proceedings of the 2009 IEEE conference on Wireless Communications k, Networking Conference. Piscataway, NJ, USA: IEEE Press, 2009. Pp. 1706-1711.