автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы и алгоритмы адаптивного управления информационными ресурсами в распределенных автоматизированных системах

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В. И. Ульянова (Ленина)

На правах рукописи

Шабуневич Елена Валерьевна

Методы и алгоритмы адаптивного управления информационными ресурсами в распределенных автоматизированных системах

Специальность: 05.13.06 - Автоматизированные системы управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

■д.т.н., профессор Яковлев С. А.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 1999

Оглавление

Список сокращений.........................................................................................................4

Введение...........................................................................................................................6

1. Особенности управления информационными ресурсами в распределенных автоматизированных системах................................12

1.1. Характеристика трафика в распределенных автоматизированных системах..............................................................................................................12

1.2. Классификация алгоритмов управления информационными ресурсами

и выбор стратегии маршрутизации в широкополосных сетях......................25

1.3. Проблемы, особенности и постановка задачи управления доставкой информационных ресурсов в распределенных автоматизированных системах.............................................................................................................41

Выводы по главе 1.................................... . '.......................................................49

2. Модели доставки информационных ресурсов в широкополосных сетях распределенных автоматизированных систем.........................51

2.1. Обоснование и разработка критерия оценки эффективности функционирования широкополосной сети.......................................................51

2.2. Построение концептуальной модели доставки информационных ресурсов в широкополосных сетях....................................................................57

2.3. Исследование поведения входного трафика в широкополосной сети и разработка аналитической модели..............................................................63

2.4. Исследование эффективности функционирования широкополосной сети при адаптивном управлении информационными ресурсами...........................70

2.4.1. Исследование мультиплексированного трафика в магистральной части B-ISDN...................................................................72

2.4.2. Исследование времени задержки информационных ячеек в

узлах коммутации B-ISDN...........................................................................82

Выводы по главе 2..............................................................................................88

3. Разработка комплекса алгоритмов реализации адаптивного управления информационными ресурсами в распределенных автоматизированных системах........................................................................89

3.1. Разработка алгоритма измерения и прогнозирования нагрузки информационных ресурсов в широкополосной сети........................................89

3.2. Разработка алгоритма обнаружения перегрузки и назначения статусов перегрузки каналам связи широкополосной сети в реальном масштабе времени.......................................................................................................97

3.3. Разработка алгоритма адаптивного управления доставкой информационных ресурсов в РАС................................................................101

3.3.1. Разработка алгоритма обновления оптимальных

таблиц .маршрутизации...................................................................107

Выводы по главе 3.............................................................................................110

4. Имитационный эксперимент с процессом адаптивного управления информационными ресурсами в распределенных автоматизированных системах.......................................................................112

4.1. Разработка базы данных имитационного эксперимента......................112

4.2. Разработка имитационной модели процесса обслуживания информационных ресурсов в широкополосной сети......................................117

4.3. Разработка имитационной модели процесса принятия решений по управлению функционированием широкополосной сети в РМВ....................121

4.4. Результаты имитационного эксперимента..........................................123

Выводы по главе 4.............................................................................................132

Заключение........................................................................................................134

Литература......................................................................................................136

Приложение 1. Имитационная модель процесса обслуживания информационных

ресурсов в B-ISDN......................................................................147

Приложение 2. Имитационная модель процесса принятия решений по

управлению функционированием широкополосной сети в РМВ.....158

Приложение 3. Диплом победителя конкурса персональных грантов 1997 года... 160

Приложение 4. Акт об использовании результатов диссертационной работы... 162

Список сокращений

АСУ - автоматизированная система управления;

АУДИР - адаптивное управление доставкой информационных ресурсов; БКП - быстрая коммутация пакетов (FPS - Fast Packet Switching); БП - быстрый пакет; ВК - виртуальный канал;

ВВХ - вероятностно-временная характеристика;

ВОЛС - волоконно-оптическая линия связи;

ВП - виртуальный путь;

ВС - виртуальное соединение;

ИВС - информационно-вычислительная сеть;

ИР - информационные ресурсы;

ИИ - источник информации;

КС - коммутационная система;

КСВ - дискретный канал связи;

МСЭ-Т - Сектор по стандартизации телекоммуникаций международного союза электросвязи (ITU-T - International Telecommunications Union-Telecommunication Standartisation Sector);

MKKTT - Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии;

МОС - Международная организация стандартов;

СИ - служебная информация;

СМО - система массового обслуживания;

СТИ - статистическая информация;

СУ - система управления;

ПС - пропускная способность;

РАС - распределенная автоматизированная система;

РМВ - реальный масштаб времени;

УК - узел коммутации;

У-ЦСИО - узкополосная цифровая сеть интегрального обслуживания (N-ISDN -Narrow Band ISDN);

ТМ - таблица маршрутизации;

Ш-ЦСИО - широкополосная цифровая сеть интегрального • обслуживания (B-ISDN - Broadband ISDN); ЦУС - центр управления сетью;

ЦСИО - цифровая сеть интегрального обслуживания (ISDN - integrated Services Digital Network);

ЦУУ - центральное управляющее устройство;

ЭМВОС - эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI - Open Systems Organization);

AAL (ATM Adaptation Layer) - адаптационный уровень ATM;

ABR (Available Bit Rate) - трафик с доступной скоростью передачи;

ATM (Asynchronous Transfer Mode) - асинхронный режим передачи;

САС (Conection Admission Control) - управление допустимыми соединениями;

CBR (Constant Bit Rate) - трафик с постоянной скоростью передачи информации;

NRT-VBR (Non-Real-Time VBR) - трафик с переменной скоростью передачи

информации, без привязки к реальному масштабу времени;

QoS (Quality of Service) - качество обслуживания;

RT-VBR (Real-Time VBR) - трафик с переменной скоростью передачи информации в реальном масштабе времени,

UBR (Unspecified Bit Rate) - трафик с неопределенной скоростью передачи информации;

VBR (Variable Bit Rate) - трафик с переменной скоростью передачи информации; VPI (Virtual Path Indentifier) - идентификатор виртуального пути; VCI (Virtual Channel Indentifier) - идентификатор виртуального канала.

Введение

Отличительной особенностью современного этапа развития автоматизированных систем управления (АСУ) является повсеместный переход к распределенным автоматизированным системам (РАС), которые обладают высокой степенью адаптивности, соответствующей новым реалиям завтрашнего дня и удовлетворяют требованиям пользователей к услугам РАС. Распределенные АСУ являются материальной основой информационной структуры, объединяющей средства телекоммуникации и вычислительной техники в единую систему обмена, хранения, обработки и управления, обеспечивающей информатизацию общества [79, 96]. В Указе Президента Российской Федерации от 20.01.94 г. "Об основах государственной политики в сфере информатизации" [77] отмечено, что информатизация является фактором развития общества в целом. При этом подчеркивается необходимость создания и развития федеральных и региональных систем и сетей, совместимых в едином информационном пространстве России, а также обеспечения единства государственных стандартов в сфере информатизации и их соответствия международным рекомендациям и требованиям.

По мере расширения международных рынков и интернационализации бизнеса возрастают требования к производительности РАС. С каждым годом происходит количественное увеличение трафика в телекоммуникационных сетях и качественное усложнение состава этого трафика. За последнее время активизировались наиболее характерные виды информационных потоков: коммерческая информация; справочно-адресная информация; нормативно-правовая информация; финансово-биржевая информация; рекламная информация; рейтинговая информация; экономико-статистическая информация и т.д. Появляются новые технологии, обеспечивающие высокую производительность сети. Выдвигаются новые требования эффективного управления и использования пропускной способности при затратах, соответствующих производительности телекоммуникационной сети, несмотря на разнообразие информационных потоков; предоставления пользователю доступа к территориальным сетям; обеспечения максимальной производительностью и надежностью при решении

задач управления, организации информационных потоков, оптимизации загрузки и предоставления разнообразных видов сервисных услуг [51, 54, 96, 112, 122].

Другой особенностью современного мира телекоммуникаций является территориальная, распределенная схема взаимодействия. Все чаще требуется связать территориально разнесенные АСУ с помощью высокоскоростных магистральных каналов телекоммуникаций.

В настоящее время во всем мире широкополосные цифровые сети интегрального обслуживания (Ш-ЦСИО или B-ISDN - Broadband Integrated Services Digital Network) при наличии интеллектуальной технологии обработки запросов пользователей позволяют создавать на их базе различные РАС. В качестве РАС могут рассматриваться учрежденческие, производственные, банковские, корпоративные организации, ориентированные на определенный круг пользователей, имеющих общие интересы и/или обладающие общими финансовыми, материальными, информационными и другими ресурсами.

По мере развития РАС возрастают требования к механизму доставки информационных ресурсов (ИР) территориально удаленным пользователям. Поэтому необходимо обеспечить качественный и своевременный обмен документами в компьютерной форме, надежный и быстрый доступ к информационным ресурсам сети. Улучшить качество доставки ИР в B-ISDN, обслуживающих РАС, можно за счет введения адаптивного управления в модель доставки ИР, позволяющего обеспечить максимальную эффективность использования ресурсов сети и совершенствования принципов нахождения оптимальных маршрутов, гарантирующего требуемое качество обслуживания запросов пользователей. Управление сетью связано с обменом служебной информацией между смежными узлами коммутации (УК) о загруженности дискретных каналов связи (КСВ). Особенностью обмена является запаздывание в управлении, чем определяется его малая эффективность. Устранение этого недостатка управления возможно введением прогноза в оценку состояния о загрузке КСВ.

Наиболее важным положением рекомендаций по B-ISDN является введение технологии асинхронного режима доставки (АРД или ATM - Asynchronous Transfer

Mode) и быстрой коммутации пакетов. Применение технологии коммутации на базе метода ATM определяет ряд новых задач, в том числе и в области управления сетями.

Целесообразность работ в области B-ISDN является общепризнанной, имеются определенные практические результаты, свидетельствующие о верности общей концепции построения B-ISDN и подтверждающие правильность выбранного пути интеграции как одного из важнейших направлений повышения эффективности РАС, реализующих новую информационную технологию [36, 50, 60, 26, 33, 47, 52, 53, 110, 111,125,126].

Недостаточная степень научной проработки ряда вопросов по принципам построения B-ISDN находит свое отражение в основных Международных рекомендациях Сектора по стандартизации телекоммуникационных сетей Международного союза электросвязи - (МСЭ-Т) (ранее Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии - МККТТ), где определены наиболее актуальные задачи, требующие дальнейшего изучения. В число этих задач входят: динамическое управление трафиком, борьба с перегрузками, а также методы распределения ресурсов в реальном масштабе времени. Вопросы эффективного управления информационными потоками в сетях рассматривались в ряде научных работ (Г. П. Захаров, В. Г. Лазарев, И. А. Мизин, С. И. Самойленко, Б. Я. Советов, А. П. Кулешов, Н. Я. Паршенков, Г. Г. Яновский, С. А. Яковлев, Р. Галлагер, М. Герла, JI Клейнрок, М. ТТ.Тварц и др.), однако, целый ряд вопросов, связанных с возможностью применения предложенных методов и алгоритмов в В-ISDN при технологии ATM, их сравнительный анализ и определение условий их наиболее эффективного использования, остаются открытыми. Таким образом, в диссертационной работе решается часть перечисленных выше задач, т.е. разработка методов и алгоритмов адаптивного управления информационными ресурсами в РАС, что и является актуальной научной задачей и соответствует современным тенденциям развития телекоммуникационных технологий.

Основной целью диссертационной работы является исследование эффективности методов управления информационными ресурсами в B-ISDN, разработка аналитической, алгоритмической и имитационной модели доставки ИР в широкополосных сетях, ориентированных на использование их в РАС.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование технологии ATM с целью выявления существующих подходов и методов построения оптимальных маршрутов в B-ISDN.

2. Разработка и обоснование критерия оценки эффективности функционирования B-ISDN при адаптивном управлении доставкой ИР.

3. Построение концептуальной модели доставки ИР в B-ISDN, на базе которой строятся модели для оценки показателей качества доставки информации в B-ISDN.

4. Аналитическое исследование входного трафика от различных источников информации и исследование мультиплексированного трафика в магистральной части широкополосной сети.

5. Создание методики построения оптимальных маршрутов для доставки ИР в B-ISDN, обеспечивающей требуемое качество обслуживания запросов пользователей РАС, за счет введения метода прогнозирования трафика в систему управления сетью.

6. Разработка комплекса алгоритмов адаптивного управления информационными ресурсами в B-ISDN, увеличивающих количество обслуживаехмых запросов пользователей РАС с требуемым качеством сервиса.

7. Построение имитационной модели процесса доставки ИР на основе разработанных алгоритмов на примере участка магистральной части B-ISDN.

При проведении исследований в диссертационной работе использовалась: теория вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания, матриц, сетей очередей, графов, телетрафика, управления сложными объектами, прогнозирования временных рядов, автоматов, планирования экспериментов и имитационного моделирования.

В первой главе диссертации на основании отечественных и зарубежных публикаций раскрываются концепции B-ISDN, обслуживающих распределенные автоматизированные системы, и перспективность их дальнейшего развития. Рассматриваются особенности технологии ATM и информационных потоков, циркулирующих в РАС, формулируются проблемы управления информационными ресурсами в B-ISDN, проводится обзор состояния задачи управления ИР на сегодняшний день, на основании которого делаются выводы об актуальности

разработки адаптивных методов и алгоритмов управления ИР в B-ISDN, а также о том, что модель управления ИР должна быть комплексной, т.е. сочетать в себе методы маршрутизации и ограничения интенсивности информационных потоков. В связи с необходимостью построения более эффективной методики доставки ИР рассматриваются наиболее популярные на практике протоколы и алгоритмы маршрутизации и ограничения интенсивности потоков, исследуется их применимость в B-ISDN. Обосновывается целесообразность введения прогноза в управление В-ISDN. Сформулирована задача адаптивного управления доставкой ИР (АУДИР) в реальном масштабе времени (РМВ): используя измеренные и прогнозируемые оценки трафика в широкополосной цифровой сети, требуется выработать списки оптимальных маршрутов для каждого класса трафика ИР таким образом, чтобы предотвратить или ликвидировать перегрузку сети, обеспечить в заданных условиях лучшие характеристики функционирования B-ISDN и уменьшить объем служебной информации в сети, необходимый для осуществления адаптивного управления.

Вторая глава диссертации посвящена разработке аналитической модели доставки ИР в B-ISDN. Выбран критерий оценки эффективности функционирования B-ISDN при АУДИР, который позволяет учесть существующие требования по качеству обслуживания ИР, определяет суммарную ценность обслуженных ИР в сети, отражает интересы пользователей РАС, а также отображает подход к решению задачи адаптивного управления. Предложены структурная схема B-ISDN и функциональная схема узла коммутации широкополосно