автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка системы управления IP-трафиком в условиях колебания потока данных

Введение.

Глава 1. Задачи, методы и средства исследований современных телекоммуникационных систем и крупномасштабных компьютерных сетей.

1.1. Актуальные проблемы анализа и моделирования компьютерных сетей.

1.2. Работы российских и западных специалистов в области математического исследования телекоммуникационных систем.

1.3. Основные задачи управления компьютерными сетями.

1.4. Исследование и выбор критериев эффективности работы сети и множества варьируемых параметров оптимизации.

Глава 2. Анализ и оптимизация трафика телекоммуникационных компьютерных сетей: проблемы, современные методы и оценка эффективности.

2.1. Особенности и основные проблемы оптимизации работы протокола TCP/IP.

2.2. Современные методы управления IP-трафиком: технологии, аппаратные и программные средства.

2.3. Применение статистического подхода, основанного на использовании моделей и методов теории анализа временных рядов.

2.4. Статистическая модель внутрисуточных колебаний скорости передачи данных пользователям компьютерных сетей.

Глава 3. Исследование, создание и применение системы интегрированного сетевого управления в целях повышения эффективности функционирования сети.

3.1. Принципы создания системы интегрированного сетевого управления.

3.2. Системы учета использования ресурсов сети и управления безопасностью.

3.3. Система управления производительностью работы сети.

3.3.1. Система сбора статистической информации о функционировании каналов связи.

3.3.2. Применение методов оптимизации IP-трафика.

3.3.3. Оценка эффективности применения методов управления IP-трафиком с использованием статистической модели внутрисуточных колебаний скорости передачи данных пользователям компьютерных сетей.

3.4. Результаты использования системы интегрированного сетевого управления на Бийском узле RUNNet.

Актуальность исследования. В свете современных достижений в области телекоммуникационных технологий особую актуальность приобретают проблемы анализа и моделирования компьютерных сетей, в том числе, анализа и оптимизации трафика.

Сложность и высокая стоимость современных и развивающихся телекоммуникационных систем (ТС) постепенно приводит к вытеснению эвристических подходов к формированию их архитектуры, выбору основных конструктивных параметров и оценке характеристик, заменяя их предварительным анализом и обоснованием с использованием формальных методов. При этом исследования, направленные на совершенствование методов управления трафиком, позволяют повысить их эффективность, увеличить пропускную способность и скорость передачи данных.

Цель настоящего исследования заключается в разработке методов управления IP-трафиком и оценке их эффективности.

В соответствии с поставленной целью, в диссертационной работе решены следующие задачи:

• проведен системный анализ технических аспектов функционирования IP-сетей, а также систем интегрированного сетевого управления;

• определены основные задачи управления компьютерными сетями в целях увеличения пропускной способности каналов связи и скорости передачи данных;

• проведено исследование современных методов управления IP-трафиком в целях определения их влияния на скорость передачи данных;

• осуществлен выбор математической модели для исследования основных характеристик трафика, включая динамику загрузки 5 магистральных каналов связи и скорости передачи данных конечным пользователям;

• разработана математическая модель для оценки эффективности применения средств сетевого управления;

• разработаны научно обоснованные практические рекомендации по использованию методов управления IP-трафиком, базирующиеся на разработанной модели оценки, а также необходимое программное обеспечение.

Объектом исследования является компьютерная сеть, работающая по протоколу TCP/IP, а также транспортная основа сети - каналы передачи данных, под которыми понимаются физические линии связи и соответствующее им каналообразующее оборудование.

Предметом исследования диссертационной работы является управление трафиком сети, проходящим через каналы связи и отражающим ее фактическое состояние и загрузку.

Теоретическая и методологическая основа исследования. В зависимости от поставленных задач на каждом этапе диссертационного исследования применялись методы системного анализа, математической статистики, теории управления, статистические методы сбора и обработки информации.

Базой для исследования послужили результаты работ, проведенных Центром телекоммуникаций и технологий Интернет Московского государственного университета им М.В. Ломоносова. В их основе лежит применение вероятностно-статистических методов и моделей анализа трафика компьютерных сетей.

Научная новизна отдельных теоретических и методических рекомендаций, выносимых на защиту, состоит в следующем:

• сформулированы задачи анализа и определены основные показатели эффективности работы компьютерных сетей, а также алгоритмы и методики управления 1Р-трафиком; 6

• разработана статистическая модель внутрисуточных колебаний скорости передачи данных пользователям компьютерных сетей для оценки эффективности применения средств сетевого управления;

• разработана методика оценки эффективности применения методов управления IP-трафиком, а также необходимое программное обеспечение, включая систему интегрированного сетевого управления.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в возможности использования рассмотренных методов управления IP-трафиком и оценке их эффективности на любом фрагменте сети Интернет, в результате появляется возможность повысить эффективность функционирования сети за счет более рационального использования существующих каналов связи. В частности, в результате внедрения системы управления IP-трафиком на Бийском узле RUNNet удалось повысить эффективность работы некоторых информационных сервисов более чем в два раза.

На защиту выносятся:

• математическая модель для исследования основных характеристик трафика, включая динамику загрузки магистральных каналов связи и скорости передачи данных конечным пользователям;

• алгоритмы и методика управления 1Р-трафиком;

• методика оценки эффективности применения методов управления IP-трафиком, а также необходимое программное обеспечение, включая систему интегрированного сетевого управления.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных научно-методических конференциях «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Томск, 2000 и Кемерово, 2002), 3-ей Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в экономике, науке и образовании» (Бийск, 2002), Региональной научно-практической 7 конференции, посвященной 40-летию БТИ АлтГТУ и 290-летию г.Бийска «Наука и технологии: реконструкция и конверсия предприятий» (Бийск, 1999), Межвузовской научно-практической конференции «Наука и образование: проблемы и перспективы» (Бийск, 1999), Пятой краевой конференции по математике (Барнаул, 2002).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 9 научных работ, общим объемом 2 п.л., в том числе авторских - 1,5 п.л.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенных исследований были получены следующие основные результаты:

1. Сформулированы основные задачи управления компьютерными сетями, направленные на увеличение пропускной способности каналов связи и скорости передачи данных: выбор критериев эффективности работы сети; исследование и выбор множества варьируемых параметров; выбор и обоснование «правила останова» процесса настройки параметров функционирования сети, исходя из выбранного критерия эффективности. Предложены три типовые задачи управления сетью: приведение сети в любое работоспособное состояние, грубая настройка и «тонкая» настройка.

2. Исследованы современные методы и средства управления IP-трафиком в целях определения их влияния на скорость передачи данных: организация очередей пакетов на основе приоритетов сервисов; определение сетевой политики; разделение полосы пропускания и др.

3. Разработана статистическая модель внутрисуточных колебаний скорости передачи данных, обеспечивающая достоверность вычисляемых параметров в условиях неравномерной загрузки каналов связи. Данная модель используется для оценивания эффективности применения средств управления сетью.

4. Создана система интегрированного сетевого управления на Бийском узле RUNNet. Важным элементом этой системы является подсистема мониторинга состояния каналов передачи данных.

5. Проведена оценки эффективности использования современных методов управления магистральным каналом Бийск-Барнаул, показавшая, что в результате использования системы

100

1. Мизин И.А. Состояние и перспективы развития телекоммуникационных технологий. Доклад на «Forum 1ТА-97». - М., 1997.

2. Антропов С.В. Базовая программная система моделирования телекоммуникационных систем // Системы и средства информатики. Вып. 8.-М.: Наука, 1996.

3. Жожикашвилли В.А., Вишневский В.М. Сети массового обслуживания. Теория и применение к сетям ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988.

4. Макаров А.А., Тюрин Ю.Н. Статистический анализ данных на компьютере. М.: ИНФРА-М, 1998. - 528 с.

5. Болдин М.В., Симонова Г.И., Тюрин Ю.Н. Знаковый статистический анализ линейных моделей. М.: Наука, 1997. - 288 с.

6. Ковба H.JL, Макаров А.А., Симонова Г.И. Закономерности изменения загрузки магистральных каналов компьютерных сетей // Автоматика и телемеханика. №12, 2000. С. 104-114.

7. Макаров А.А, Симонова Г.И. Статистическая модель внутрисуточных колебаний скорости передачи данных пользователям компьютерных сетей // Статистические методы оценивания и проверки гипотез. Пермь: Пермский университет, 2000. Вып. 14. - С. 144-154.

8. Макаров А.А., Симонова Г.И. Статистические модели динамики роста числа хостов в российских научно-образовательных сетях // Статистические методы оценивания и проверки гипотез. Пермь: Пермский университет. 2001. Вып. 15.

9. Ю.Макаров А.А., Симонова Г.И., Ковба H.JI, Турков В.А. Стохастические модели мониторинга телекоммуникационных сетей // Вестник101

10. Херсонского государственного технического университета. Херсон, 2001. Т.З №12. - С.168-171.

11. Васенин В.А., Савочкин А.В. Проблемы и методы защиты информации на компьютерах в глобальной компьютерной сети (на примере сети MSUNet Московского университета) // Научно-техническая конференция МТУ СИ: Тезисы доклада. 1998.

12. Васенин В.А., Садовничий В.A. MSUNet компьютерная сеть для науки и высшей школы. Опыт, проблемы, решения // Телематика 98: Тезисы докладов всероссийской научно-методической конференции. -С.Петербург, 1998.-С. 37-38.

13. Васенин В.А., Савочкин А.В. Комплексный подход к защите информации в глобальных компьютерных сетях. Опыт сети MSUNet // Телематика 98: Тезисы докладов всероссийской научно-методической конференции. -С.Петербург, 1998. С. 57.

14. Васенин В.А., Щербатых К.М. Технология ATM для науки и образования // Телематика 98: Тезисы докладов всероссийской научно-методической конференции. С.Петербург, 1998. - С. 58.

15. Макаров А.А. К вопросу о мониторинге компьютерных сетей // Телематика 98: Тезисы докладов всероссийской научно-методической конференции. С.Петербург, 1998. - С. 77-78.

16. Макаров А.А.Довба Н.Л., Слепухин А.Ф. Некоторые предварительные результаты анализа общего трафика и трафика по основным протоколам сети MSUNet // Телематика 99: Тезисы докладов всероссийской научно-методической конференции. С.Петербург, 1999. - С. 56.

17. Васенин В.А., Макаров А.А., Гусев Н.В. Мониторинг связанности НСКТ НВШ с Интернет. Подходы к созданию модели управления // Новые102информационные технологии в университетском образовании: Сборник трудов. Новосибирск, 2000. - С. 124-125.

18. Макаров А.А., Щербатых К.М. Кроссанализ статистики соединений компьютерных сетей как один из показателей состояния сети // Новые информационные технологии в университетском образовании: Сборник трудов. Новосибирск, 2000. - С. 134-135.

19. Макаров А.А., Симонова Г.И. Сравнительный анализ скорости передачи данных конечным пользователям сетей на входе канала RBnet-Teleglobe // Новые информационные технологии в университетском образовании: Сборник трудов. Новосибирск, 2000. - С. 135.

20. Макаров А.А., Ковба H.JT., Турков В.А. Структура трафиков научно-образовательных сетей России на канале RBnet-Teleglobe // Новые информационные технологии в университетском образовании: Сборник трудов. Новосибирск, 2000. - С. 136-137.

21. Компьютерные сети. Учебный курс, 2-е изд. Microsoft Press, Русская редакция, 1998.

22. Щербо В.К., Киреичев В.М., Самойленко С.И. Стандарты по локальным вычислительным сетям: Справочник / под ред. С.И. Самойленко. М.: Радио и связь, 1990.

23. Кульгин М.В. Коммутация и маршрутизация IP/IPX трафика. М.: Компьютер пресс, 1998.27.3олотов С. Протоколы Интернет. СПб.: BHV, 1998.

24. Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы: Перев. с англ. -М.: Мир, 1990.103

25. Дженнингс Ф. Практическая передача данных: Модемы, сети, протоколы: Перев с англ. М.: Мир, 1989.

26. Кулигин М. Оптимизация протокола TCP/IP в распределенных средах // Сети. №10-11. 1999.

27. Дэвид Ньюман. Управление трафиком Интернет: нет хаосу, да -порядку! // Сети и системы связи. №11. 2000.

28. Седых С. Аппаратная оптимизация IP-трафика: сохраним и приумножим TCP/IP. Ваш сетевой журныл. Data Communications. (http://www.networkmagazine.ru).

29. Стив Штайнке. Оптимизация распределения пропускной способности // LAN. №02. 1999. (Издательство «Открытые системы»: http://www.osp.ru/lan/1999/02/102.htm).

30. Крейг Хант. Персональные компьютеры в сетях TCP/IP: Перев. с англ. -Киев: BHV, 1997.

31. Пятибратов и др. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. -М.: ФИС, 1998.

32. Высокопроизводительные сети. Энциклопедия пользователя. Марк А. Спортак и др.; перев. с англ. Киев: ДиаСофт, 1998.

33. Дж. Бокс, Г. Дженкинс. Анализ временных радов. Прогноз и управление. Вып. 1.-М.: Мир, 1974.

34. Вентцель Е.С. Теория Вероятностей: Учеб. для вузов. 5-е изд. стер.-М.: Высш. шк., 1998. - 576 с. ил.

35. Гмурман В.Е. Теория Вероятностей и математическая статистика. Изд 4-е, доп. Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1972.

36. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебник для вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.

37. Замятин B.C., Попов Ф.А. Комплекс мер по повышению уровня безопасности UNIX серверов Бийского узла RUNNet // Наука, культура, образование. № 10. 2002.