автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка методов и программных средств расчета характеристик сетей с коммутацией пакетов

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ИНФОРМАТИКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

РГ6 Од

На правах рукописи

АНТОНОВ Сергей Васильевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК СЕТЕЙ С КОММУТАЦИЕЙ ПАКЕТОВ

05.13.13 - Вычислительные машины, комплексы, системы и сети

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Институте проблем информатики РАН

Научные руководители - доктор физико-математических наук

Шоргин С.Я.

кандидат технических наук Шибанов С.Е.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Башарин Г.П.

доктор физико-математических наук, доцент Ушаков В.Г.

Ведущая организация - Вычислительный центр РАН '

Защита состоится « часов на

заседании специализированного совета Д 003.56.01 при

Институте проблем информатики РАН (117900, Москва, ул.Вавилова, 30/6).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем информатики РАН.

Автореферат разослан « ^ »^<51

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук

С.Н.Гринченко

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В основе решения проблемы информатизации общества лежит необходимость создания информационно-вычислительных сетей различного целевого назначения. Институтом проблем информатики РАН в кооперации с другими научными организациями России разработаны концептуальные положения по построению единой информационно-телекоммуникационной системы общенационального масштаба (ЕИТС), интегрирующей в своем составе как существующие ведомственные и коммерческие, так и вновь создаваемые магистральные и региональные сети государственной принадлежности. В работе академика И.А.Мизина1 сформулированы проблемы, требующие решения при создании национальной сети передачи данных, и намечены пути реализации системы; отмечено, что огромное значение для экономики страны имеет создание новой вторичной сети - сети передачи данных с коммутацией пакетов.

Современные информационные технологии основаны на совместном использовании средств вычислительной техники и связи. Для сети передачи данных, являющейся, наряду с совокупностью абонентских систем, одной из основных компонент вычислительной сети, в настоящее время все чаще используется термин телекоммуникационная сеть (ТС). Сети коммутации пакетов являются разновидностью ТС. При этом под коммутацией пакетов следует понимать не только традиционные протоколы на базе рекомендации Х.25, но и современные технологии, такие как Frame Relay и ATM, в которых пакеты именуются кадрами (frame) и ячейками (cell), соответственно.

Основным методом исследования сложных информационных систем на всех стадиях их разработки, проверки и модернизации является компьютерное моделирование. Современное программное и аппаратное обеспечение позволяет реалиэовывать удобные средства поддержки работ по моделированию ТС. Однако существующие системы моделирования сетей связи, разработанные в прошлые годы в нашей

1 MitsfiH И.Л. О концепции создания Российской общегосударственной и региональных интегрированных сетей передачи информации // Системы и средства ин-.форматики, выл.6. - М. : Наука, 1995.

стране (пакеты прикладных программ «Такт» НШССУ, «Граф» ВЦ СО РАН и яр-)/ в настоящее время морально устарели и не имеют средств для анализа современных сетевых технологий. Что касается зарубежных систем аналогичного назначения (COMNET III компании CACI, Opnet компании MIL3, NetworkVUE компании GRC и др.), то они являются закрытыми для модификации или использования их а качестве основы для разработки новых моделей. Математические методы и алгоритмы расчетов, используемые в этих пакетах, скрыты внутри программ и оценить их надежность и адекватность без проверки на реальных объектах не представляется возможным.

Проектировщики и системные архитекторы сетей испытывают потребности в средствах моделирования, которые позволяли бы задавать исходную информацию на «естественном» языке в терминах величины прогнозируемого трафика, используемых протоколов и сетевого оборудования, типов услуг (работа с удаленной БД, электронная почта, передача данных и т.п.) и могли рассчитывать основные характеристики системы. При моделировании ТС информация о входных и выходных данных является типичной для большинства задач и, как правило, не зависит от используемого метода моделирования и типа расчетных задач. В связи с этим, актуальной и важной задачей является создание в интересах разработки объектно-ориентированных программных средств моделирования универсальной проблемно-ориентированной базовой программной системы поддержки моделирования коммуникационных сетей (БСМ), включающей модули для ввода исходных данных и для представления результатов. При наличии БСМ могут решаться разнообразные задачи моделирования конкретных ТС, Алгоритмическая часть разрабатывается отдельно, а затем интегрируется с базовой системой. Важной прикладной задачей является разработка программно-математических средств для наиболее современных технологий передачи пакетов, таких как ретрансляция кадров.

Среди актуальных проблем, возникающих при моделировании телекоммуникационных сетей, следует указать анализ процесса передачи информации в транспортной сети, являющейся, с точки зрения эталонной модели взаимодействия открытых систем, объединением четырех нижних уровней архитектуры, начиная с транспортного.

В связи со все еще широкой распространенностью з России каналов низкого качества существенна роль транспортного ур-ланя, призванного компенсировать издержки в передаче пакетов, которые могут иметь место на сетевом уровне, С другой сгоронк, активное использование скоростных высоконадежных каналов и современных сетевых технологий характеризуется применением упрощенных протоколов обмена, что позволяет? существенно сократить накладные расходы и ускорить время доставки. В этом случае, задача повторной передачи недоставленных пакетов также возлагается на транспортный уровень. Ядром транспортной сети является пакетная сеть, которая может иметь достаточно произвольный вид. Объектами моделирования могут быть локальные сети, спутниковые, радиосотовые и другие системы, являющиеся компонентами ЕИТС.

Следует отметить, что в существующих работах по моделированию транспортной сети не учитывается влияние управляющих параметров транспортного протокола на вероятностно-временные характеристики (ВВХ) сетевого сервиса. Это может привести к существенным искажениям реальной ситуации. В связи с этим актуальной задачей является исследование процессов передачи информации на транспортном уровне с учетом особенностей транспортных протоколов, стохастических свойств пакетных сетей и взаимодействия процессов сетевого и трансаортного уровней, разработка соответствующих математических моделей и их программная реализация. При этом возникает возможность разработки на основе БСМ программно-математических средств расчета ВВХ передачи сообщений на транспортном уровне и оптимизации управляющих параметров транспортных протоколов.

Из вышеизложенного вытекает актуальность темы создания базовых средств поддержки моделирования и - на основе этих базовых средств - конкретных программно-математических средств анализа телекоммуникационных сетей.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка базовой программной системы для поддержки задач моделирования телекоммуникационных сетей с коммутацией пакетов, создание программно-математических средств моделирования современных телекоммуникационных сетей в интересах создания ЕИТС, с

учетом показателей качества функционирования каналов передачи данных и ориентации на современные сетевые технологии.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

• разработана базовая программная система моделирования, обеспечивающая унификацию программной реализации и пользовательского интерфейса вновь разрабатываемых моделей функционирования сетей и существенно облегчающая их создание;

• на основе БСМ разработана программа моделирования сети с технологией Frame Relay;

• на основе БСМ разработана программа моделирования сети с совместным использованием протоколов Х.25 и Frame Relay;

• разработана математическая модель транспортной сети, учитывающая влияние управляющих параметров транспортного протокола на ВВХ сетевого уровня; разработаны алгоритм и программа расчета ВВХ транспортного уровня;

• на основе БСМ и разработанных в работе моделей и алгоритмов создана программа расчета характеристик транспортной сети.

Методы исследования. В качестве методологической основы изучения рассматриваемых в работе объектов выбрана теория моделирования сложных систем. Используется концепция уровневой декомпозиции процессов и развиваемая на этой же основе концепция моделирования. Для исследования объектов и их свойств (при моделировании транспортной сети) применяются современные методы исследования операций, в том числе методы теории массового обслуживания, теории игр, численные методы и статистические методы имитационного моделирования. Математические модели программно реализуются на языке Паскаль (с применением методов объектно-ориентированного программирования) как в виде библиотек для их использования в дальнейшем, так и в качестве готовых программных пакетов для моделирования коммуникационных сетей.

Научная новизна. В результате выполненных исследований разработана базовая программная система, являющаяся универсальной средой для модельного представления сетей передачи данных, обеспечивающая ведение базы данных с информацией о сетевом обо-

рудовании и типах трафика, имеющая графический пользовательский интерфейс приложений с удобными средствами для ввода информации и обеспечивающая различные варианты представления исходных данных и результатов расчетов. Судя по известным публикациям, система с указанным спектром возможностей разработана впервые.

На основе БСК созданы новые программно-математические средства моделирования современных ТС с коммутацией пакетов и транспортной сети, обеспечиваюнше пользователю возможность удобного задания исходных данных и расчета широкого спектра общесистемных характеристик указанных сетей.

При моделировании транспортной сети учитывалось, в отличие от ряда других работ в этой области, влияние управляющих параметров транспортного протокола на вероятностно-временные характеристики сетевого сервиса.

Практическая значимость. Основные результаты диссертации были получены и/или использованы для конкретных расчетов при выполнении следующих НИР п ОКР:

• ОКР по модернизации информационно-телекоммуникационных систем органов государственного управления;

• НИР «Бета» - «Разработка математических методов и моделей для исследования и проектирования телекоммуникационных сетей, использующих перспективные методы построения первичной сети (SDH, SONET) и коммутации пакетов (Frame Relay, ATM)»;

• ОКР «Черемша» - «Разработка моделей и программных средств оценки системных характеристик сетей передачи данных»;

• НИР «Тротокол» - «Перспективные исследования по совершенствованию адаптивного управления процессами передачи информации в больших коммуникационных сетях методами математического моделирования с целью повышения устойчивости функционирования систем управления и связи»;

• НИР «Вега» - «Исследование и разработка методов контроля и оценки эффективности функционирования сетей передачи данных и построения аппаратно-программного комплекса для проведения испытаний, проверки и отладки СПД».

Базовая программная система обеспечивает унификацию программной реализации и пользовательского интерфейса лля вновь разрабатываемых моделей коммуникационных сетей и должна существенно облегчить их создание.

Созданные программно-математические средства исследования и проектирования ТС могут использоваться проектировщиками и системными архитекторами сетей, а также разработчиками сетевого оборудования.

Разработанные в диссертации математические модели транспортной сети могут служить основой для решения задач, связанных с моделированием и оптимизацией процессов передачи информации на транспортном уровне.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на научных семинарах в ИЛИ РАН и ВЦ РАН, на XVI Всесоюзной школе-семинаре по вычислительным сетям {Винница,1991 г.), на XV школе-семинаре «Моделирование и оценка резервных возможностей развивающихся систем» (Славское, 1991 г.), на II Конференции «Информационные сети и системы» (Санкт-Петербург, 1993 г.), на семинаре «Информационные сети и системы» (Суздаль, 1995), на конференции «Информационные сети и системы (ICINAS-96)» (Санкт-Петербург, 1996 г.), на Международном семинаре «Информационные сети, системы и технологии» (Ярославль, 1997 г.). Разработанные программы моделирования демонстрировались на Международной выставке «Связь-Экспокомм'97» (Москва, 1997 г.), информация о программах вошла в справочник «Интеллектуальные программные системы»2.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, 'включающего 120 наименований, и приложения. Содержит 150 страниц текста, 48 рисунков и 13 таблиц.

2 Интеллектуальные программные системы. Справочник. - М.: Центр интеллектуальных систем «Метод», 1997, с.18.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи работы, указаны основные результаты диссертации, определяющие ее научнув новизну и практическую значимость, охарактеризован объем апробации работы и тематических публикаций, описана общая структура диссертации и дано краткое изложение ее содержания.

Первая глава посвящена описанию базовой программной системы поддержки моделирования сетей. При анализе телекоммуникационных сетей целесообразно рассматривать комплексную модель, охватывающую несколько уровней. Внимание прежде всего уделяется сетевому и транспортному уровням, Сетевой уровень определяет среду передачи и используемые сетевые технологии, а транспортный уровень - процедуры удаленного информационного обмена, обеспечивая «сквозную» связь на уровне абонент-абонент. С транспортным тесно связан сеансовый уровень, поскольку разные типы сообщений соответствуют моделям различных сеансов - электронная почта, запросы к базе данных, передача файлов и т.п. Что касается канального и физического уровней, то они отражаются в задаваемых характеристиках каналов - эффективная скорость, вероятность ошибки - уже после «воздействия» процедур канального уровня.

Перед пользователями программ моделирования ТС стоит трудоемкая задача ввода исходных данных о топологии сети, о типах и характеристиках узлов и линий, о типичном сетевом оборудовании и его технических характеристиках, о видах и величине абонентского трафика и т.д. Обычно, рассматривается большое число вариантов исходных данных. С другой стороны, после выполнения расчетов полученные результаты желательно представить в удобной для анализа форме, в виде таблиц и графиков, с возможностью их сравнения и обобщения, а также для подготовки отчетов.

Информация о входных и выходных данных для моделирования работы сетей, как правило, является типичной для большинства задач и не зависит от того, каким именно методом будет моделироваться сеть и какие расчетные задачи должны выполняться. Таким образом, при разработке моделирующих программ целесообразно

иметь ВСМ, включающие модули для ввода исходных данных и для представления результатов. Алгоритмическая же часть может делаться отдельно в зависимости от применяемых методов моделирования и затем интегрироваться с базовой системой.

В результата сравнительного анализа 20 коммерческих пакетов математического моделирования сетей с точки зрения их функциональности, используемых методов моделирования, способов представления данных, графического интерфейса и т.п., а также изучения потребностей пользователей программ моделирования, были определены основные требования, предъявляемые к средствам моделирования сетей и - тем самым - к базовой программной системе, на основе которой должны разрабатываться конкретные модели телекоммуникационных сетей:

• ведение базы данных с информацией о сетевом оборудовании и типах трафика, которую можно было бы использовать в разных проектах;

• графический пользовательский интерфейс приложений с удобными средствами для ввода информации как в табличном, так и в графическом виде;

• представление исходных данных и результатов расчетов в табличном и графическом виде, возможность редактировать отчеты, вывод на печать;

• модульная структура, гибкость в наращивании системы, сопровождении и модификации; базовая программная система должна разрабатываться независимо от расчетных модулей;

• автоматическая проверка корректности вводимой информации и ее согласованности с уже введенными данными и с требованиями задачи, проверка полноты исходных данных для выполнения конкретных задач.

При разработке БСМ в первую очередь имелись в виду модели на основе аналитических методов, как наиболее быстрые, что позволяет работать с приложениями, созданными на их основе, в интерактивном режиме.

Структура БСМ, ее составные модули и взаимосвязь между ними представлены на рисунке 1.

; исхооддащАНяьщ

Ухты

Линии

Данные ям задачи 1

Данные для задачи 2

МОДУЛЬ ПРОВЕРКИ

! ОТЧЕТОЩ

Интерфейсный модуль

; ¡ОТРХвбвдХя-' •• СИСТЕМА;-' .

расчеты н ?' 11:

Задача 1 Задача 2

СЦ Общие библиотеки ( •

[ Интерфейсный модуль [

Типы трафика

Оборудование к узлах

-I] Оборудований линий

1П ИТ

... в табличном ввде

Вывод на печать

... в графическом ввде

: «сткуш^л&яЕншга гзжзейдшщх^

Рис.1. Структура базовой программной системы

Показанные модули позволяет задавать структуру сети передачи данных, информацию об оборудовании, расположенном в узлах сети и на линиях (типы каналов), нагрузку между тяготеющими парами и т.д. Для каждого конкретного приложения каждый раз отдельно разрабатываются или выбираются алгоритмы расчетов и программно реализуются процедуры расчетоз. Структуры данных, с которыми работает расчетный модуль, должны совпадать со структурами из модулей исходных и выходных данных (или должны быть разработаны интерфейсные модули).

База данных наполняется с помощью системы упразления базой данных. К данному модулю пользователь может обратиться, когда

возникает необходимость просмотреть, добавить, исправить или удалить информацию из базы данных о характеристиках оборудования в узлах, каналах, типах портов, видах трафика и т.п.

После выполнения какой-либо расчетной задачи результаты расчетов хранятся в специальном структурированном виде и доступны в ходе работы с системой. Их можно просмотреть в табличном виде, отобразить на графе сети, вывести на печать и сохранить в файле для того, чтобы работать с ними во время следующего сеанса. С каждым приложением связаны некоторые файлы, в которых хранятся различные варианты исходных данных. Исходные данные задаются на основе информации, содержащейся в базе данных сетевого оборудования. Каждый вариант может характеризоваться конкретной топологией с привязкой или без привязки к географическим пунктам, распределением потоков между узлами, пропускными способностями в узлах и на каналах и т.п.

Модуль проверки, обращение к которому происходит во время ввода информации и при выполнении расчетных задач, отвечает за корректность вводимых данных (проверка типа, допустимого диапазона и т.п.), а также за их согласованность и полноту. В случае возникновения ошибочных ситуаций можно обратиться за дополнительной информацией к справочному модулю, который также предоставляет пользователю контекстную справочную информацию.

Пользовательский интерфейс соответствует стандартным требованиям многооконных систем. Структура сети, ее узлы и ребра представляются в графическом виде с возможностью выбора масштаба просмотра. Различные типы узлов и каналов изображаются на экране особенным образом (при помощи цвета, элементов разной формы, надписей, пиктограмм). Численные данные, как правило, отображаются в табличном виде. Вся информация, выводимая на экран, при необходимости может быть распечатана на принтере.

Базовая программная система предназначена для разработки приложений, работающих в среде Microsoft Windows. Инструментальным средством разработки является объектно-ориентированный язык Borland Pascal 7.0 с библиотекой Object Windows - OWL (фирма Borland). Дополнительно, для создания графических объектов используется библиотека Object Graphics - 0GL (фирма

Symantec). Для базовой системы был разработан ряд новых объектов, являющихся наследниками объектов из упомянутых выше двух библиотек. Об-ъем программного кода БСМ составил около 6000 строк, не считая русификации некоторых модулей из OWL и OGL.

Базовая программная система позволяет существенно облегчить процесс разработки моделей для конкретных сетей передачи данных. Приложения, разработанные на ее основе, имеют единообразный пользовательский интерфейс, удобные средства для задания и представления данных.

С использованием БСМ автором самостоятельно или при его участии создано несколько конкретных программных средств, описание которых приводится во второй (модели сетей ретрансляции кадров) и третьей (система расчета характеристик транспортного уровня) главах диссертации.

Во второй главе описываются разработанные с помощью базовой программной системы программно-математические средства моделирования телекоммуникационных сетей, с современными технологиями коммутации пакетов - Frame Relay и совместно X.25/Frame Relay.

В последние годы в России для передачи информации в ТС все большую распространенность получает технология ретрансляции кадров (Frame Relay). Особенностью протокола Frame Relay является упрощенная процедура коррекции ошибок - эта задача возлагается на более интеллектуальное оконечное оборудование, что позволяет существенно увеличить скорость передачи. Первоначально ориентированная на обеспечение взаимодействия удаленных локальных сетей и замены выделенных линий, в настоящее время данная технология используется и как 'среда передачи IP-трафика в сетях Интернет, и для передачи голоса. Применение протокола Frame Relay возможно и на низкоскоростных каналах, что существенно в условиях России, где они иироко распространены.

Эффективность традиционных сетей Х.25 можно значительно повысить путем создания быстродействующего сетевого ядра, которое в качестве основного способа внутрисетевого транспорта использует скоростной протокол Frame Relay, а на периферии сети применяется обмен по протоколу Х.25. Таким образом, сохраняются достоинства схем исправления ошибок, присущие Х.25, в сочетании

с высокими скоростями и малыми задержками, свойственными Frame Relay.

Программа моделирования сети Frame Relay, описываемая в §1, предназначена для расчета характеристик и анализа существующих и перспективных сетей на базе технологии ретрансляции кадров и может использоваться при проектировании и эксплуатации ТС. Процесс работы с моделью включает определение топологии сети, пропускной способности линий, задание параметров оборудования в узлах сети (производительность и размеры буферов), задание тяготеющих пар и величины нагрузки, задание параметров, характеризующих абонентов. Формирование постоянных виртуальных каналов может осуществляться автоматически по критерию минимального времени доставки или задаваться вручную. Программа позволяет рассчитывать основные вероятностно-временные характеристики сети и создавать отчеты, среди них таблицы виртуальных каналов, средние времена и стандартные отклонения времен доставки, вероятности доставки, значения на нагрузки на узлы и линии, графики функций распределения времени доставки и таблицы квантилей. С помощью программы можно анализировать как магистральную сеть Frame Relay, так и абонентские подсети, подсоединенные к ней, исследовать живучесть сети, выполнять анализ по сценариям «что-если».

В §2 описывается программа моделирования сетей, построенных на базе протоколов Х.25 и Frame Relay (X.25/FR) . Программа X.25/FR позволяет анализировать работу как отдельных сетей, использующих один из указанных протоколов, так и гибридных сетей, в которых обе технологии применяются одновременно. Исходными данными для моделирования являются топология сети, данные о типах узлов (коммутаторы, устройства доступа, абоненты) и параметрах находящегося в узлах оборудования (пропускная способность, типы и количество портов), данные о линиях (типы и количество образующих линию каналов) , информация о нагрузке, а также параметры, характеризующие протоколы Х.25 и Frame Relay. При вводе информации о постоянных виртуальных каналах дпя тяготеющих пар автоматически осуществляется проверка их согласованности по числу и типу портов и каналов. С помощью программы рас-

считываются основные характеристики, такие как вероятности доставки сообщений для каждой пары абонентов, средние значения -л стандартные отклонения времени доставки сообсекий, зеличина загрузки оборудования.

На рисунке 2 показано главное окно программы Х.25/ГЯ ~о списком отчетов. Вид окна является типичным для всех приложений, разрабатываемых на основе БСМ.

м

SL

Si SI

5Г

■у? 1

iiaLL

Расчствсроятностно-в?емек>акхарамгт&рястмс для сетл

i MoHWMiiisi^^a^ii^« ? * %\ - -1* 'I; : I!

: wh»*^ hi:

1: rH^^M'itl^ert^CTie^ji«^ J* 1''

1 - \ caoftuai> rt fr кряв^жаьЫ! %;

» с.&ремдоявесмы«OQWii»tiwpauwpii i| \ $ #'

|* В epogmocTM»PC7ЭЙКЙк^дро»» : ;> •

i j **Is ; 5 i it',

~ i * if * s

*"1 t; I * *'

;~^Pjcnpeaej-pfH?вмии^иинat*»wI*T

, * j'i- - - • v ипмсмадаЦ i''» i. • I' i

' Hsrpyatt'rti^fbi бапше ? ' 1 ? * " Г ; * *"*"

' - »дзлэ* «»*;.,. 1 " I *

% ■•'' З^вржхл Л ^ЗД/шчи^в^Я - - - -

i 1.jkrcwHs^h^pi' *1 **

I -J « j * I ¡i | i r ? - *

15 \ ;i's I h; i

ЩЦ 70,' Uf

£

Рис.2. Главное окно программы моделирования сети X. 25/Frarns Relay со списком отчетов

Обе рассмотренные программы основываются на аналитических моделях соответствующих ТС, использующих методы теории открытых сетей массового обслуживания, алгоритмы оптимизации градиентного типа и численные методы. Автору диссертации в данных разработках принадлежит программная реализация указанных аналитических моделей на основе разработанной им же БСМ. Постановочно-содержательная часть разработки этих программно-математических средств принадлежит коллективу специалистов КПК РАН, включая азтсра диссертации; сами же аналитические модели ТС с протоко-

лами Frame Relay3 и совместно X.25/Frame Relay* разработаны в ИПИ РАН группой математиков-прикладников (М.Г.Коновалов, И.А.Соколов, С.Я.Шоргин и др.) и не относятся к числу результатов диссертанта. Адекватность указанных программно-математических моделей, как и моделей транспортного уровня, представленных ниже, подтверждается результатами расчетов, проведенных с использованием разработанных автором программных средств, которые соответствуют результатам испытаний опытных образцов ряда реальных систем; в подтверждение этого к диссертации прилагаются соответствующие акты.

Третья глава посвящена вопросам моделирования транспортного уровня телекоммуникационных сетей. Под транспортной сетью TN (Transport Network) понимается распределенная коммуникационная система, назначение которой - доставка сообщений, порождаемых различными процессами, имеющими точки подключения к транспортной сети. С позиций уровневой декомпозиции коммуникационных процессов и развиваемой на этой же основе уровневой концепции моделирования, транспортная сеть состоит из двух компонент: собственно транспортной службы и пакетной сети PN (Packet Network), являющейся ядром TN. В свою очередь, транспортная служба состоит из двух механизмов: доступа сообщений в TN и передачи сообщений через PN. Первый из них поддерживается процедурой управления потоком ГС (Flow Control), второй - транспортным протоколом TP (Transport Protocol). Три эти объекта (FC, TP, PN) являются предметом рассмотрения и их модели вместе образуют модель транспортной сети.

В §2 описывается имитационно-аналитическая модель, предназначенная для расчета вероятностно-временных характеристик транспортной сети с некоторым реальным сложным транспортным протоколом. Модель пакетной сети строится на основе задания вероятностей доставки пакетов адресату и первых двух моментов

3 Модель сети Frame Relay. Описание аналитической модели. — М. : ИПИ РАН, 1995. 29 с.

4 Комплекс программно-математических моделей длч решения задач оптимизации структуры и оценки эффективности обмена информацией в слециалиэирозанных вторичных сетях передачи данных на базе современных телекоммуникационных технологий. Описание применения. — М.: НПФ «Вирт», 1996. 71 с.

времени доставки пакета. Для транспортного протокола, системными параметрами которого являются тайм-ауты на передающей и принимающей сторонах и максимальное число повторов, «событийным» методом имитируются с учетом временных соотношений все события, возникающие при реализации функций ТР. Дополнительные задержки, возникающие при реализации механизма ограничения нагрузки, моделируются с помощью системы массового обслуживания М|е|№.

На основе рассмотренной имитационно-аналитической модели и с использованием базовой программной системы разработана программная модель для расчета ВВХ транспортного уровня, описание которой дается в §3. Исходными данными для программы являются значения интенсивности входного потока сообщений, размер ограничивающего окна, параметры транспортного протокола, параметры пакетной сети, число пакетов в сообщении. С ее помощью можно рассчитывать большое число характеристик, в том числе вероятность успешной доставки сообщений, первый и второй моменты времени доставки сообщений, времени ожидания в очереди, среднее количество повторных передач, вероятность одинаковой информированности передатчика и приемника.

§4 посвящен рассмотрению задачи оптимального выбора значений параметров процедур, управляющих доведением сообщений в транспортных сетях. Основное внимание уделяется принципиальным аспектам задачи и ее математическим свойствам. Рассмотрение проводится для стационарного случая.

В процессе доставки сообщений от одной транспортной станции к другой существуют регулируемые параметры, от выбора которых зависят характеристики процесса доставки. Такими параметрами являются размер «окна» РКи величины тайм-аутов в . Задача оптимизации заключается в нахождении таких значений НУ и 0 из некоторой области П допустимых значений, при которых среднее время доставки сообщений Ф является наименьшим:

гатФ(в,Щ.

Исходными данными для модели пакетной сети служат значения вероятности доставки получателю отдельного пакета я и зависимость среднего времени передачи пакетов через РМ а(Х) от ин- ■

тенсивности потока пакетов X, поступающих в РИ в процессе передачи сообщений. Модель транспортного протокола представляет собой зависимости среднего времени передачи сообщения Т и среднего числа повторов т от параметров транспортного протокола -тайм-аутов в . Управление потоком моделируется системой массового обслуживания типа МЦЗ)^, характеристики которой могут быть найдены при задании интенсивности потока сообщений Л., Т и второго момента времени передачи.

Связь между моделями ТР, ГС и Р1) и их характеристиками символически изображена на рисунке 3.

✓ ч

ТР

Т = Т(б,а)

т = т (в, а)

Рис.3, Связь между моделями управления потоком, транспортного протокола и пакетной сети

Уравнение, описывающее стационарный режим процесса доставки тьпакетных сообщений, имеет вид

Л = Ллт(6,а( А)).

Учитывая содержательный смысл функций т(9,а) и а(Х), данное уравнение в зависимости от в и Л может не иметь решений, иметь одно или два решения. При наличии двух решений меньший корень

соответствует стационарному режиму, а больший корень указывает границу значений X, при которых возможно устойчивое

функционирование. При фиксированном 9 возможная область допустимых значений \У определяется неравенством

Для упрощенного идеализированного транспортного протокола, использующего единственный тайм-аут на передающей стороне, и при некоторых других упрощениях, не меняющих содержания задачи, модели ТР, РС и РН описываются в диссертации аналитически. При этом для функций т(в,а) и Т{в,а) получен следующий явный вид:

т(9,а) = 1 /(л-" (1 - ехр(-0/ а));

Т(9,а) = (т{9,а)-1)в+а - в ехр(-0/а) /(I- ехр{-6>/а)).

Далее детально разбирается процесс доставки многопакетных сообщений через транспортную сеть для одной транспортной станции, исследуется область допустимых значений для НУ и в. Решается задача оптимального выбора управляющих параметров для одной станции. Осуществлена программная реализация решения этой задачи; приводятся численные результаты моделирования.

Для случая многих транспортных станций исследуется зависимость характеристик транспортной сети (среднее время доставки сообщения, число повторов, максимальный размер окна, среднее время пребывания в очереди) от параметров транспортного протокола. Формулируется задача оптимизации для случая многих станций; эта задача решается релаксационным метолом с декомпозицией по отдельным транспортным станциям. Приводятся примеры экспериментальных расчетов для описанных моделей.

Рассматривается также игровой подход при выборе системных параметров транспортного протокола. Детально разбирается частный случай двух транспортных' станций и предлагается алгоритм решения задачи для произвольного числа станций.

В приложении представлены материалы, подтверждающие практическое использование результатов диссертации.

Основные результаты работы

Выполненные в работе исследования и разработанные методы и программные средства анализа телекоммуникационных сетей позволяют оценивать вероятностно-временные характеристики разрабатываемых систем передачи данных, сократить время и снизить затраты при их проектировании, развертывании и модернизации.

В результате проведенных исследований получено следующее:

1. Создана базовая программная система поддержки моделирования, которая обеспечивает унификацию программной реализации и пользовательского интерфейса для вновь разрабатываемых моделей коммуникационных сетей и позволяет существенно облегчить их создание.

2. На основе БСМ разработана программа моделирования работы сети Frame Relay.

3. На основе БСМ разработана программа моделирования работы сетей, построенных на Сазе протоколов Х.25 и Frame Relay.

4. Разработаны и программно реализованы аналитическая и имитационно-аналитическая модели транспортной сети, для случая квазистационарного режима работы сети передачи данных разработаны методы оптимизации управляющих параметров транспортных протоколов.

5. На основе БСМ и разработанных моделей создана программа расчета ВВХ транспортной сети.

Основное содержание работы отражено в публикациях:

1. Антонов C.B., Шибанов С.Е. Оптимизация управляющих параметров транспортного уровня — в сб. «XVI Всесоюзная школа-семинар по вычислительным сетям. Тезисы докладов». 4.2. — М.- Винница: Научный Совет АН СССР по комплексной проблеме «Кибернетика», Винницкий политехнический институт, 1991. — С.170-173.

2. Антонов C.B., Шибанов С.Е. Игровой подход при выборе параметров транспортного протокола - в сб. «II Конференция «Информационные сети и системы» (ИСС-93). Тезисы докладов». -Санкт-Петербург: Государственный университет телекоммуникаций, 1993. - С.83-85.

3. Антонов G.B. , Соколов И.А. , Шибанов С.Е., Шоргин С.Я. Принципы построения математической модели телекоммуникационной сети с асинхронным режимом передачи (ATM) — в сб. «Семинар «Информационные сети и системы». Материалы лекций, докладов и сообщений». — М.- Суздаль: Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А.С.Попова, 1995. — С.42-46.

4. Антонов C.B. Базовая программная система для моделирования телекоммуникационных систем — в сб. «Системы и средства информатики». Вып.8. — м.: Наука, 1996. — С.124-132.

5. Антонов C.B. Транспортная сеть с ограничением нагрузки оконного типа и тайм-аутами на передающей стороне — в сб. «Международная конференция по информационным сетям и системам (ICINAS-96). Труды». - Санкт-Петербург: ЛОНИИС, Государственный университет телекоммуникаций, НХОРЭС им. А.С.Попова, 1996. — С.363-370.

6. .Антонов C.B., Соколов H.A. Система моделирования работы сетей передачи данных, построенных на базе протоколов Х.25 и Frame Relay — в сб. «Международный семинар «Информационные сети, системы и технологии», Материалы семинара». 4.2. — М.- Ярославль: Международная Академия информатизации, РНТОРЭС им. А.С.Попова, Ленинградский отраслевой НИИ связи, Санкт-Петербургский Государственный университет телекоммуникаций, 1997. - С.71-73.

7. Антонов C.B. Унификация программной реализации и пользовательского интерфейса моделей коммуникационных сетей — Депонировано в ВИНИТИ 25,08.1997, № 2722-В97. - 33 с.

8. Антонов C.B. Моделирование телекоммуникационных сетей, использующих технологию ретрансляции кадров — Депонировано в ВИНИТИ 25.08.1997, » 2723-В97. - 24 с.