Методи і засоби підвищення якості обслуговування в комп'ютерних мережах, що динамічно реконфігуруються

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.13.13 - Обчислювальні машини, системи та мережі

Методи і засоби підвищення якості обслуговування в комп'ютерних мережах, що динамічно реконфігуруються

Кулаков Юрій Олексійович

Київ - 2005 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут", на кафедрі обчислювальної техніки.

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор Луцький Георгій Михайлович, НТУУ "КПІ", завідувач кафедри обчислювальної техніки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Тоценко Віталій Георгійович, Інститут проблем реєстрації інформації НАН України, завідувач відділу;

доктор технічних наук, професор Жуков Ігорь Анатолійович, Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України, директор Інституту комп'ютерних технологій;

доктор технічних наук, професор Харченко Вячеслав Сергійович, Національний аерокосмічний університет ім. Жуковського М.Є. “Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри комп'ютерних систем і мереж.

Головна організація Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, відділ 205 "відділ керуючих машин і систем".

Вчений секретар спеціалізованої ради, кандидат технічних наук, доцент М.М. Орлова

Анотація

Кулаков Ю.О. “Методи і засоби підвищення якості обслуговування в комп'ютерних мережах, що динамічно реконфігуруються” - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.13 - Обчислювальні машини, системи та мережі. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут, Київ 2005.

На основі аналізу існуючих способів і засобів керування мобільністю в комп'ютерних мережах, запропонований і обґрунтований спосіб керування мережевим з'єднанням, який в порівнянні з відомими способами дозволяє підвищити ефективність функціонування об'єднаної мережі за рахунок скорочення часу реконфігурації віртуального з'єднання при переміщенні мобільного вузла.

Запропоновано й обґрунтовано спосіб керування місцем розташування, який за рахунок використання мобільних інтелектуальних агентів дозволяє скоротити затримку передачі інформації в мережі.

Запропоновано й обґрунтовано спосіб організації віртуального з'єднання, що дозволяє скоротити часову складність його реконфігурації за рахунок розширення можливостей комутаторів макрорівня.

Запропоновано й обґрунтовано спосіб визначення оптимальної кількості інтелектуальних агентів і засобів їхньої взаємодії, що забезпечують безрозривну реконфігурацію віртуальних з'єднань при переміщенні мобільних вузлів у межах комп'ютерної мережі.

З практичної точки зору, отримані в роботі результати, дозволяють істотно підвищити ефективність функціонування об'єднаних комп'ютерних мереж.

Ключеві слова: об'єднана мережа, мобільний вузол, керування мобільністю, домашній агент, віртуальне з'єднання.

Аннотация

Кулаков Ю.А. “Методы и средства повышения качества обслуживания в динамически реконфигурируемых компьютерных сетях”. - Рукопис. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.13 - вычислительные машины, системы и сети. Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев 2005 г.

В диссертационной работе приведено теоретическое обоснование и новое решение научной задачи, которая заключается в новом подходе к организации управления передачей информации в динамически реконфигурируемых компьютерных сетях, способствующем повышению эффективности маршрутизации за счет оптимизации процедуры формирования и обновления маршрутной информации, а также повышения степени ее достоверности.

В первой главе определена область и объект исследования, а также методы и средства доставки сообщений в динамически реконфигурируемых компьютерных сетях, в том числе способы коммутации и маршрутизации, а также алгоритмы и протоколы их реализации. В качестве объекта исследования рассматривается класс динамически реконфигурируемых компьютерных сетях. Проведен анализ существующих способов и алгоритмов маршрутизации в динамически реконфигурируемых компьютерных сетях с целью определения их эффективности для решения задачи передачи информации с заданным уровнем качества сервиса.

Предложен и обоснован метод иерархического управления динамически реконфигурируемой компьютерной сетью на основе виртуальной подсети интеллектуальных агентов, которая позволяет оперативно реагировать на изменение состояния динамически компьютерной сети, что в свою очередь создает предпосылки для повышения качества обслуживания сетевых приложений.

Предложены и обоснованы новые математические модели для расчета основных временных параметров передачи данных для сетевых приложений с различным уровнем приоритета, учитывающие фрактальный характер трафика, что позволяет более точно определить время задержки передачи данных и размер буфера, необходимый для передачи информации без потери пакетов.

С учетом принципа самоподобия сетевого трафика и на основе использования параметра Херста усовершенствован метод прогнозирования трафика, позволяющий повысить эффективность управления сетевыми процессами и обеспечить необходимый уровень качества обслуживания пользователей. Предложенный метод распространен на класс динамически реконфигурируемых компьютерных сетей.

Впервые на основе анализа влияния динамики изменения метрических характеристик топологической организации компьютерной сети получены аналитические зависимости временной сложности реконфигурации виртуальных соединений, на основании которых разработан метод определения местоположения интеллектуальных агентов в сети, обеспечивающий минимальное время реконфигурации виртуального соединения.

Впервые на основе теории нечетких множеств решены вопросы формирования доменов в динамически реконфигурируемой компьютерной сети в соответствии с критериями минимального времени маршрутизации и объема служебного трафика.

С целью обеспечения требуемого уровня качества обслуживания разработан метод резервирования ресурсов, базирующийся на использовании интеллектуальных агентов, что позволяет осуществить эффективное резервирование ресурсов в динамически реконфигурируемых компьютерных сетях.

Предложен и обоснован метод системной организации интеллектуальных агентов, который за счет оперативного слежения за состоянием сети позволяет существенно повысить эффективность функционирования динамически реконфигурируемых компьютерных сетей.

Впервые разработана система взаимодействия интеллектуальных агентов, которая за счет оперативного контроля загрузки каналов передачи и в значительной мере упрощает вопросы динамического формирования приоритетов.

За счет использования динамической системы приоритетов усовершенствован метод обеспечения качества обслуживания в компьютерных сетях с широким диапазоном изменения нагрузки.

В работе показано, что предложенный способ формирования кластеров не критичен к выбору начальной вершины, в качестве которой может быть выбрана произвольная вершина. Это является основной предпосылкой для разработки распределенного алгоритма формирования кластеров, который заключается в следующем:

Проверяется принадлежность АС к одному из кластеров. При отсутствии признака принадлежности к одному из кластеров АС начинает процедуру поиска ближайшего кластера, которая заключается в обмене информацией со смежными узлами.

При выполнении условия вхождения в кластер, АС подключается к кластеру, при этом контролер кластера уведомляет всех членов кластера о новом члене кластера.

Если АС не может быть включена хотя бы в один из кластеров, она начинает процедуру формирования собственного кластера, объявляя себя головой кластера.

За счет перераспределения АС, входящих в состав смежных с вновь образованным кластером, осуществляется динамическая реконфигурация сети и обновление таблиц маршрутизации.

Рассмотрены вопросы формирования структуры и алгоритмов функционирования сетевого коммутатора. На основе анализа наиболее известных коммутаторов и маршрутизаторов разработана структура и алгоритмы функционирования адаптивного коммутатора, поддерживающего архитектуру интегрированных служб (ISA) и обеспечивающего минимальное время формирования маршрутов передачи информации за счет выбора в каждом конкретном случае наиболее оптимального режима работы.

С практической точки зрения, полученные в работе результаты, позволяют существенным образом повысить эффективность функционирования мобильных компьютерных сетей.

Ключевые слова: объединенная сеть, кластер, качество обслуживания, динамическая маршрутизация, комутация, нечеткие множества.

Annotation

Kulakov Y.A. “ Methods and means of improvement of quality of service in dynamically reconfigured computer networks ”. - Manuscript

The dissertation on competition of a scientific degree of doctor technical Sciences. On a specialty 05.13.13 - computers, computing system and networks. National technical university of Ukraine “The Kiev polytechnic institute”, Kiev 2005.

In this dissertation, the theoretical proof and the new solution of a scientific mobility handling problem in the incorporated computer networks are resulted. It allows increasing mobile network handling efficiency by selecting optimum structure of a network and effective construction algorithm of a messages delivery tree.

Based on the existing method analyses, the new network connection handling method based on IPv6 protocol is offered and proved, which allows increasing incorporated network operating efficiency compared to existing methods by decreasing virtual connection reconfiguration time when mobile node moves away from.

The location control method, which allows reducing delays while transferring data through the network by using mobile domestic agents, is offered and proved.

Virtual connection creation method is offered and proved, which allows reducing its reconfiguration time complexity due to macro-level switches capability extensions.

The method of definition optimal domestic agents' amount and means of their interconnection are offered and proved, that provide seamless virtual connection reconfiguring while mobile node is moving within incorporated network.

Keywords: incorporated network, mobile node, handling mobility, domestic agent, virtual connection, mobile IPv6.

1. Загальна характеристика роботи

комп'ютерний мережа трафік

Актуальність теми

В області мережевих інформаційних технологій простежується стійка тенденція до об'єднання й інтегрування комп'ютерних мереж, що використовують різні мережеві технології й різне середовище передачі інформації, у тому числі й безпровідне. Це привело до появи нового класу комп'ютерних мереж, так званих об'єднаних комп'ютерних мереж. Поширенню об'єднаних комп'ютерних мереж в Україні сприяє те, що на державному рівні прийнятий і здійснюється ряд програм по створенню загальнодержавних і відомчих об'єднаних комп'ютерних мереж різного рівня. У найближчій перспективі на основі об'єднаних комп'ютерних мереж планується створення єдиної глобальної мережі зв'язку в рамках так званої нової мережі загального користування (New Public Network). Однієї з особливостей такої мережі буде розвинена система радіодоступу й, відповідно, мобільний доступ до провайдерів.

Ефективність функціонування об'єднаних комп'ютерних мереж у значній мірі залежить від швидкості передачі інформації, рівня їхньої інтелектуалізації й забезпечення мобільності користувачів. Розв'язанню проблеми підвищення ефективності функціонування комп'ютерних мереж приділяється постійна увага. При цьому в роботах Л. Клейнрока, М. Шварца, В. Вінницького, Ю. Зайченко й ін. використовувалися математичні методи й моделі, орієнтовані в основному на незалежні стаціонарні потоки. Застосування різних способів керування трафіком позначається на його характері, що перетворюється на фрактальний. Проблемі фрактальності в сучасних комп'ютерних мережах присвячено ряд наукових праць, серед яких варто виділити роботи В. Заборовского, А. Городецького. При цьому залишається невирішеною задача побудови математичних моделей функціонування комп'ютерної мережі при багатопріоритетному трафіку.

Наявність у комп'ютерній мережі мобільних користувачів і вузлів комутації відображається на її топології, що набуває властивостей динамічної реконфігурованості. Відомі методи керування мережею, передачею інформації й маршрутизації, представлені в роботах В. Виленгера, Д. Вильсона, В. Рахсона й ін., розраховані на комп'ютерні мережі з фіксованою структурою зв'язку й не враховують специфіки комп'ютерних мереж, що динамічно реконфігуруються.

Створення комп'ютерних мереж із властивостями динамічної реконфігурованості ставить проблему узагальнення теорії комп'ютерних мереж, розвинену для мереж з постійною структурою, на комп'ютерні мережі, що динамічно реконфігуруються. Створення такої теорії є головною проблемою, що розв'язується в дисертації. Ця проблема зводиться до розв'язання наступних актуальних задач:

Розробка інтелектуального методу керування мережею.

Розробка ефективного методу організації структури комп'ютерної мережі.

Розробка методів й алгоритмів маршрутизації.

Розробка способів динамічного резервування ресурсів.

Розробка методів організації й підтримки віртуальних з'єднань при зміні структури мережі.

Розробка способів забезпечення якості обслуговування.

Таким чином, у роботі виконане теоретичне узагальнення теорії комп'ютерних мереж і поширення її на мережі, що динамічно реконфігуруються.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до планів науково-дослідних робіт кафедри обчислювальної техніки НТУУ "КПІ" у рамках:

НДР № 0100U000101 "Розробка моделі надвисокопродуктивної масштабованої обчислювальної системи для захисту баз даних у надвисокопродуктивному обчислювальному багатопроцесорному комплексі (супер-ЕОМ) " (1998-2001);

робіт з напрямку "Перспективні мережні інформаційні технології, прилади. Системи зв'язку", що виконувалася на кафедрі обчислювальної техніки НТУУ “КПІ” в 1997-2001 р;

НДР № 0100U000703 "Розробка теорії, методів і засобів побудови обчислювальних систем з масовим розпаралелюванням обчислювального процесу";

НДР № 0102U000333 "Побудова масштабованих ізоефективних комп'ютерних систем", яка виконувалась на кафедрі обчислювальної техніки НТУУ "КПІ" в 2002-2004 рр.;

НДР № 0201U006269 "Побудова високопродуктивних паралельних обчислювальних систем з архітектурою на основі розподіленої загальної пам'яті", яка виконується на кафедрі обчислювальної техніки НТУУ "КПІ" в 2004-2005 рр.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення теорії комп'ютерних мереж, що динамічно реконфігуруються для підвищення якості обслуговування користувачів й оптимізації трафіка в мережах такого типу.

Об'єктом дослідження є клас комп'ютерних мереж, що динамічно реконфігуруються.

Предметом дослідження є методи й засоби структурної організації й керування передачею інформації в комп'ютерних мережах, що динамічно реконфігуруються, які забезпечують необхідний рівень якості обслуговування.

Основні задачі дослідження, у відповідності до поставленої мети полягають у наступному:

Виявлення факторів, що роблять істотний вплив на якість передачі інформації й вибору способу керування мережевими процесами, що найбільш повно задовольняє вимогам комп'ютерних мереж, що динамічно реконфігуруються.

Розробка й дослідження інтелектуального методу керування комп'ютерною мережею, що динамічно реконфігурується, здатного забезпечити оптимальні режими роботи мережі й гарантувати необхідну якість обслуговування при мінімальних витратах мережевих ресурсів.

Розробка методики розрахунку основних тимчасових параметрів передачі даних у комп'ютерних мережах, що динамічно реконфігуруються, яка максимально враховує характер реального трафіка.

Розробка й дослідження методу забезпечення якості обслуговування в комп'ютерних мережах, що динамічно реконфігуруються, із широким діапазоном зміни навантаження за рахунок використання динамічної системи пріоритетів.

Розробка й дослідження методів формування й підтримки оптимальної кількості й розміру доменів з погляду часу маршрутизації й обсягу керуючого трафіка.

Визначення ефективності використання в комп'ютерних мережах, що динамічно реконфігуруються, відомих методів й алгоритмів маршрутизації, що забезпечують заданий рівень якості обслуговування.

Розробка алгоритму адаптивної маршрутизації, що дозволяє в порівнянні з відомими алгоритмами при меншому керуючому трафіку забезпечити необхідний рівень якості обслуговування.

Розробка структури й алгоритму функціонування адаптивного комутатора для комп'ютерної мережі, що динамічно реконфігурується, яка підтримує архітектуру інтегрованих служб і забезпечує мінімальний час формування маршрутів передачі інформації за рахунок вибору в кожному конкретному випадку найбільш підходящої процедури маршрутизації.

Методи досліджень. За допомогою методів теорії масового обслуговування досліджувався вплив інтенсивності й характеру трафіка на час затримки пакетів у вузлах комутації й міжмережевих вузлах об'єднаної комп'ютерної мережі. Оцінка ефективності керування трафіком, способу формування доменів, алгоритмів маршрутизації й керування віртуальним з'єднанням проводилася за допомогою імітаційного моделювання. Аналіз способів і засобів формування віртуальних з'єднань базується на використанні основних положень системного аналізу й загальної теорії систем. Теорія графів і теорія множин використовується для розв'язання завдання вибору оптимальної кількості й розташування інтелектуальних агентів у підмережах.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в створенні теорії комп'ютерних мереж, що динамічно реконфігуруються, яка включає взаємозалежне розв'язання задач розробки системи інтелектуального керування комп'ютерною мережею, реконфігурації її структури, керування потоками даних, маршрутизації, інтегрального обслуговування мережевих додатків, способів формування й реконфігурації віртуальних з'єднань.

Основні наукові результати полягають у наступному:

Запропоновано й обґрунтовано метод ієрархічного керування комп'ютерною мережею, що динамічно реконфігурується, на основі віртуальної підмережі інтелектуальних агентів, що дозволяє оперативно реагувати на зміну стану комп'ютерної мережі, що у свою чергу створює передумови для підвищення якості обслуговування мережевих додатків.

Запропоновано й обґрунтовано нові математичні моделі для розрахунку основних часових параметрів передачі даних для мережевих додатків з різним рівнем пріоритету, що враховують фрактальний характер трафіка, що дозволяє більш точно визначити час затримки передачі даних і розмір буфера, необхідний для передачі інформації без втрати пакетів.

З урахуванням принципу самоподобі мережевого трафіка й на основі використання параметра Херста вдосконалено метод прогнозування трафіка, що дозволяє підвищити ефективність керування мережевими процесами й забезпечити необхідний рівень якості обслуговування користувачів. Запропонований метод розповсюджений на клас комп'ютерних мереж, що динамічно реконфігуруються.

Вперше на основі аналізу впливу динаміки зміни метричних характеристик топологічної організації комп'ютерної мережі отримані аналітичні залежності тимчасової складності реконфігурації віртуальних з'єднань, на підставі яких розроблено метод визначення місця розташування інтелектуальних агентів у мережі, що забезпечує мінімальний час реконфігурації віртуального з'єднання.

Вперше на основі теорії нечітких множин вирішені питання формування доменів у комп'ютерній мережі, що динамічно реконфігурується, відповідно до критеріїв мінімального часу маршрутизації й обсягу службового трафіка.

З метою забезпечення необхідного рівня якості обслуговування розроблений метод резервування ресурсів, що за допомогою використання інтелектуальних агентів дозволяє здійснити ефективне резервування ресурсів у комп'ютерних мережах, що динамічно реконфігуруються.

Запропоновано й обґрунтовано метод системної організації інтелектуальних агентів, що за рахунок оперативного спостереження за станом мережі дозволяє істотно підвищити ефективність функціонування комп'ютерних мереж, що динамічно реконфігуруються.

Вперше розроблена система взаємодії інтелектуальних агентів, що за рахунок оперативного контролю завантаження каналів передачі значною мірою спрощує питання динамічного формування пріоритетів.

За рахунок використання динамічної системи пріоритетів удосконалено метод забезпечення якості обслуговування в комп'ютерних мережах із широким діапазоном зміни навантаження.

Практична цінність отриманих результатів дисертаційної роботи визначається тим, що розроблені в рамках дисертаційної роботи методи й засоби підвищення якості обслуговування дозволяють підвищити ефективність функціонування комп'ютерної мережі, що динамічно реконфігуруються. Запропоновані математичні методи, способи й засоби доведені до практичної реалізації у вигляді програм і можуть бути використані при розробці структури комп'ютерних мереж, що динамічно реконфігуруються, а також для організації обчислювальних процесів у них.

Теоретичні й практичні результати дисертації використовувалися для підвищення якості обслуговування в телекомунікаційних мережах, що належать Укртелекому (акт про впровадження від 15.03.05), підвищення продуктивності масштабованої обчислювальної системи, розробленої у НВК "Наука"(акт про впровадження від 20.11.02), при розробці й впровадженні комп'ютерної мережі відособленого підрозділу "Аварійно-технічний центр" НАЭК "Энергоатом" (акт про впровадження від 18.05.04), комп'ютерної мережі військової частини № 45 (довідка про використання 23.05.05). Результати дисертації впроваджені в навчальний процес Національного авіаційного університету (акт про впровадження від 20.04.05). На кафедрі обчислювальної техніки НТУУ “КПІ” матеріали дисертаційної роботи використовуються в дисциплінах "Комп'ютерні мережі", Проектування комп'ютерних мереж" і відображені в навчальних посібниках "Комп'ютерні мережі" (Кулаков Ю.А., Луцький Г.М. - К.: Юніор, 1998. - 384 с., іл.), "Локальні мережі" (Кулаков Ю.А., Луцький Г.М. - К.: Юніор, 1998. - 336 с., іл.), "Комп'ютерні мережі. Вибір, установка, використання й адміністрування" (Кулаков Ю.А., Омелянский С.В. - К.: Юніор, 1998. - 384 с., іл.) і підручнику "Комп'ютерні мережі" (Кулаков Ю.О., Луцький Г.М. - К.: Юніор, 2003. - 400 с., іл.) із грифом Міністерства освіти й науки України.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати отримані здобувачем самостійно. У роботах написаних й опублікованих у співавторстві здобувачеві належать: [24, 25] - ідея методу аналізу протоколів маршрутизації в комп'ютерних мережах; [21, 29] - ідея способу розрахунку часових параметрів комунікаційних вузлів комп'ютерної мережі; [16, 18, 22, 37, 41] - ідея методу та способу маршрутизації в комп'ютерних мережах; [20, 38] - ідея методу багатоабонентської доставки повідомлень; [27, 33, 40] - ідея методу та розробка засобу підвищення якості обслуговування в сучасних комп'ютерних мережах; [26, 28] - метод ремаршрутизації в мобільних комп'ютерних мережах; [23] - розробка способу керування трафіком у комп'ютерних мережах; [10, 12, 13, 32, 35, 36, 42] - розробка методу синтезу комп'ютерної мережі; [14, 39] - ідея способу підвищення ефективності віртуальних з'єднань у комп'ютерних мережах; [17] - розробка способу підвищення ефективності функціонування вузлів комутації, [11, 15] - ідея способу доступу до передавального середовища.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи обговорювалися на:

Міжнародній науковій конференції "Systemy Komputerowe i Sieci" (26-27 июня, 1997, Жешев, Польша).

Другій міжнародній науковій конференції "Systemy Komputerowe i Sieci" (23-25 июня, 1998, Жешев, Польша).

П'ятій науково-технічній конференції "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах" (22-25 травня 1998 р., м. Хмельницький).

Другій міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні й електронні технології". - Одеса (Україна). -2001.

Дев'ятій науково-технічній конференції "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах" (26-29 травня 2002 р., м. Хмельницький).

Десятій науково-технічній конференції "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах" (28-31 травня 2003 р., м. Хмельницький).

Четвертій міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні й електронні технології" (19-23 травня 2003 р., м. Одеса).

П'ятій міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні й електронні технології" (17-21 травня 2004 р. Одеса. Україна).

Міжнародній конференції по науці й техніки "SCALNET'04" (28-30 вересня 2004 Кременчук, Україна).

Шостій міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні й електронні технології" (23-27 травня 2005 р. Одеса. Україна).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 42 роботах, серед яких 30 наукових статей у журналах, затверджених ВАК України; 12 публікації матеріалів конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із введення, п'яти глав, виводів і додатків. Загальний обсяг роботи становить 345 сторінок друкованого тексту, рахуючи 276 сторінок основного тексту, 75 малюнків, 7 таблиць і списку використаної літератури з 214 найменувань.

2. Основний зміст работи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета й задачі досліджень, наведено характеристику отриманих теоретичних та практичних результатів, показано особистій внесок здобувача. Вказано де відбувалась апробація роботи й загальну характеристику публікацій.

У першому розділі визначена область і об'єкт дослідження, в якості якого розглядаються комп'ютерні мережі, що динамічно реконфігуруються.

На основі аналізу літературних джерел показано, що підвищення якості обслуговування в комп'ютерних мережах, що динамічно реконфігуруються значною мірою залежить від вирішення ряду взаємозалежних завдань з розробки й впровадження інтелектуального методу управління мережею, ефективного методу організації структури комп'ютерної мережі, методів і алгоритмів маршрутизації. Аналіз стану цих питань, шляхи їхнього ефективного вирішення розглядаються в першому розділі. Зокрема приводиться критичний огляд методів забезпечення якості обслуговування в сучасних комп'ютерних мережах й оцінюється ефективність їхнього використання в мережах, що динамічно реконфігуруються. Заданий рівень якості обслуговування досягається підтримкою певної смуги пропускання, скороченням імовірності втрати кадрів, виключенням або керованістю мережних перевантажень, можливістю конфігурування мережного трафіка.

У комп'ютерних мережах, що динамічно реконфігуруються особливої актуальності набуває завдання забезпечення якості обслуговування. Це пов'язане з тим, що основним способом забезпечення якості обслуговування в сучасних комп'ютерних мережах є статистичне резервування ресурсів. У комп'ютерних мережах, що динамічно реконфігуруються, говорити про резервування ресурсів можна тільки з певною ймовірністю.

У комп'ютерних мережах, що динамічно реконфігуруються, традиційні методи забезпечення заданих параметрів якості обслуговування , засновані на резервуванні ресурсів, неефективні тому, що ресурси, які були зарезервовані для віртуального з'єднання, в результаті його реконфігурації можуть виявитися недоступними. Гарантування ж постійного рівня якості обслуговування у середовищі, що реконфігурується, за рахунок максимально можливого резервування ресурсів для кожного віртуального з'єднання істотно знижує ефективність використання комп'ютерної мережі. У зв'язку з цим, необхідно використати вдосконалені способи динамічного резервування ресурсів, здатні забезпечити досить високу ймовірність резервування.

Наявність у комп'ютерній мережі мобільних користувачів і вузлів комутації впливає на її топологію, яка набуває властивостей динамічної реконфігурації. Це породжує ряд проблем, пов'язаних з необхідністю розробки нових або вдосконалення відомих методів вирішення завдань маршрутизації, управління мережею і трафіком.

Відомі способи маршрутизації й управління трафіком, як правило, орієнтовані на конкретні типи мереж, ураховують особливості їхньої організації й функціонування. Наприклад, при доменній структурі мережі ефективність способів й алгоритмів маршрутизації, що зараз використовуються, значною мірою залежить від розміру й структури доменів. Застосування даних алгоритмів маршрутизації в комп'ютерних мережах, що динамічно реконфігуруються, негативно позначатиметься на ефективності функціонування мережі через постійну зміну топології, доменів. Отже, необхідно вжити заходів для динамічної реконфігурації доменів.

Проведено аналіз відомих способів встановлення й підтримки віртуальних з'єднань у мережах, що динамічно реконфігуруються, на підставі якого показано, що локальне управління є ефективнішим, хоча при цьому можуть виникнути проблеми зі “стійкістю” функціонування мережних з'єднань.

Серед відомих методів маршрутизації найбільш ефективним є спосіб маршрутизації на основі так званих форвардингових вузлів, кожний з яких відповідає за маршрутизацію певної групи вузлів, що утворюють домен маршрутизації. Основна перевага даного підходу полягає в можливості скорочення обсягу службової інформації за рахунок вибору найбільш раціональної структури підграфа форвардингових вузлів і відповідного алгоритму маршрутизації.

На підставі огляду існуючих рішень робиться висновок, що найефективнішим способом забезпечення необхідних параметрів трафіка в комп'ютерних мережах з широким діапазоном зміни навантаження є механізм динамічного призначення пріоритетів завданням. Вузли самостійно контролюють рівні високопріоритетних процесів і сигналізують коригувальним механізмам, коли ці значення виходять за встановлені межі.

Управління трафіком пов'язане з оптимізацією характеристик мереж. Завдання, орієнтовані на управління трафіком, містять у собі аспекти поліпшення якості обслуговування інформаційних потоків, у тому числі: мінімізацію втрат пакетів і затримок, оптимізацію пропускної спроможності й узгодження найкращого рівня послуг. Смуга пропускання є критичним ресурсом сучасних мереж. Отже, основною функцією управління трафіком є ефективне управління пропускною спроможністю. Перевантаження зазвичай проявляється у випадках браку мережних ресурсів або при їх неефективному розподілі. Отже, важливою проблемою є розробка інтелектуального методу управління мережею, що дозволяє досить швидко й адекватно реагувати на зміни параметрів комп'ютерної мережі, що динамічно реконфігурується, а також забезпечує масштабованість і максимальну незалежність між мережними засобами й прикладними програмами користувачів. Відомі методи й способи управління мережею в основному розраховані на комп'ютерні мережі з фіксованою структурою зв'язку і не враховують специфіки комп'ютерних мереж, що динамічно реконфігуруються.

В основі інтелектуального підходу лежить концепція використання інтелектуальних агентів. Агенти працюють автономно і можуть зв'язатися з користувачем, системними ресурсами та іншими агентами для виконання завдання.

Основним предметом досліджень при побудові інтелектуальних систем управління мережними ресурсами, є алгоритми аналізу й обробки оперативної інформації про стан мережних процесів, за допомогою яких можна спрогнозувати їх майбутні стани. Через розподіленість і стохастичний характер зв'язків між мережними компонентами, система управління повинна мати структурну стійкість або, інакше кажучи, забезпечувати плавну зміну своїх функціональних можливостей у випадку втрати координуючих впливів чи порушенні роботи окремих підсистем, пов'язаних з можливою реконфігурацією топології мережі. Тому системи інтелектуального управління можуть стати основою для побудови нового покоління комп'ютерних мереж, функціонування яких здійснюється за допомогою взаємодії великого числа автономних мережних компонентів. Кожний такий компонент або мережний агент забезпечує локальне управління доступними йому мережними ресурсами, використовуючи для цього набір власних цільових функцій і зовнішніх впливів. Таким чином, мобільні інтелектуальні агенти стають засобом реалізації нової універсальної моделі управління комп'ютерною мережею.

На відміну від традиційної мережної архітектури, у якій існує чітка регламентація правил взаємодії між рівнями, у новій архітектурі управління структура зворотного зв'язку формується в процесі взаємодії інтелектуальних агентів залежно від поточного стану мережних ресурсів. Характер процесів взаємодії визначається рядом факторів:

- неструктурованим характером розташування інформаційних ресурсів у мережі;

- необхідністю підтримувати різні класи сервісу в рамках єдиної транспортної мережної інфраструктури.

Вирішення описаних вище завдань мережної взаємодії можливе шляхом використання інтегрованих засобів управління інформаційними й телекомунікаційними ресурсами комп'ютерної мережі. Метою такої інтеграції є створення інтелектуальної інформаційної інфраструктури управління комп'ютерною мережею.

Розглянуті вище підходи до формування систем управління мережними процесами й об'єктами дозволяють сформулювати актуальні проблеми, які необхідно вирішити для створення нового покоління комп'ютерних мереж. Ці проблеми, насамперед, пов'язані із завданнями розробки нових моделей і засобів управління мережними процесами, що враховують властивості динамічної реконфігурації комп'ютерної мережі та динаміку мережного трафіка.

Отже, подальший успішний розвиток сучасних мережних технологій визначає необхідність розробки якісно нової технології інтелектуального управління мережею, здатної забезпечити оптимізацію режимів роботи комп'ютерної мережі й гарантувати якість обслуговування в реальному часі при мінімальних витратах мережних ресурсів.

У другому розділі для об'єднаних комп'ютерних мереж запропоновані й обґрунтовані нові математичні моделі, що враховують фрактальний характер трафіка. Це дозволяє точніше визначити такі параметри комутаційних вузлів, як час затримки передачі даних і розмір буфера, необхідний для передачі інформації без втрати пакетів.

Показано, що для системи з експонентним часом обслуговування й самоподібним трафіком залежність середнього часу затримки в буфері T_r від середнього коефіцієнта використання відповідає наступному закону:

,

де T_s - середній час одного обслуговування заявки у вузлі комутації без врахування часу очікування, Н- параметр Херста, значення якого лежить у межах 0.5 Н 1 залежно від навантаження в мережі.

Для системи з постійним часом обслуговування (M/D/1) залежність середнього часу затримки в буфері T_r від середнього коефіцієнта використання дорівнює:

.

Представлена залежність затримки T_p1= T_r / T_s від завантаження для системи обслуговування M/M/1 при різних значеннях параметра Херста ( Н₁=0.5, Н₂ =0.7, Н₃ =0.9). Представлена залежність затримки T_p2= T_r / T_s від завантаження для системи обслуговування M/D/1 при різних значеннях параметра Херста ( Н₁=0.5, Н₂ =0.7, Н₃ =0.9).

Наведені залежності затримки Е1wh(1, k, Н) беспріоритетного потоку й Е2wh (1, k, Н) пріоритетного потоку від завантаження 1 при різних співвідношеннях k= ₁/ ₂ інтенсивності ₁ беспріоритетного потоку до інтенсивності ₁ пріоритетного потоку (k = 0.5, 1,2) і значенні параметра Херста Н =0.7. Представлена залежність затримки Е1wh(1, k, Н) бесприоритетного потоку від завантаження 1 при k = 0.5, 1,2 і Н=0.5, 0.7, 0.9.

У загальному випадку, об'єднана мережа моделюється змішаною мережею масового обслуговування з одним закритим підланцюгом внутрішніх пакетів й L відкритими підланцюгами зовнішніх пакетів.

Нехай m_i є число зовнішніх пакетів i - ї черги. Позначимо X_i відносне використання внутрішніми пакетами i - ї черги, що є константою, пропорційною 1/_ij, і _i=_2i2i.

Розрахунок коефіцієнтів G(n) здійснюється за алгоритмом згортки Бузена.

Тоді очікуване число внутрішніх пакетів у черзі n_i випливає із:

і очікуване число зовнішніх пакетів у черзі m_i визначається функцією E(n_i):

.

Вплив внутрішніх пакетів на очікуване число зовнішніх пакетів збільшує його в 1 + E(n_i) раз. Пропускна спроможність зовнішніх пакетів у черзі i відповідає коефіцієнту _i, - інтенсивності надходження зовнішніх пакетів. Пропускна спроможність внутрішніх пакетів та сама в кожній черзі, і обчислюється з:

.

Зовнішня модель системи із втратами, що застосовується нами для моделювання мережі FR, є M/M/1/N₁ черга з коефіцієнтом обслуговування, що залежить від стану:

де n показує число внутрішніх пакетів у зовнішній моделі.

На підставі формули Літтла очікувану повну затримку можна представити у вигляді:



де K(n) - коефіцієнт, що нормує, який визначається за формулою:

.

За рахунок використання динамічної системи пріоритетів удосконалено метод забезпечення якості обслуговування в комп'ютерних мережах із широким діапазоном зміни навантаження.

У загальному випадку, для системи з відносним пріоритетом заявок, пріоритет заявки в деякий момент часу можна задати функцією

,

де q_k(t) - пріоритет заявки класу k у момент часу t, T_k - коефіцієнт, що визначає час перебування заявки в системі, C_k - коефіцієнт вартості заявок k-го класу.

Припускаємо, що в системі є n класів пріоритетів. Отже, у черзі знаходиться певна кількість заявок, котрі можна розділити на n класів. Інтенсивності створюваних ними потоків для кожного з класів дорівнюють відповідно ₁, ₂, ... , _n,. Пропонується застосовувати розподіл Парето. Будемо також вважати, що найвищим пріоритетом володіють заявки класу 1, а найнижчим - заявки класу n, тобто С₁ С₂ ... C_k … С_n 0. Таким чином, пріоритет заявки в момент часу t визначається у вигляді:

, (2)

де T - момент надходження заявки.

Для визначення середнього часу очікування обслуговування заявки припускаємо таке. Пріоритет заявок відносний. Середній час обслуговування для деякого i-го класу дорівнює 1/_i, i = 1. .n. Типова заявка деякого класу k (1 k n) надходить у деякий довільний момент часу t₀. Її час очікування , що вимірюється від моменту надходження до початку обслуговування, залежить від трьох параметрів:

- проміжок часу, протягом якого заявка, що надійшла, повинна чекати на завершення обслуговування поточної заявки;

- час обслуговування всіх клієнтів класу i, вищого або рівного класу k, що вже знаходилися в черзі на момент надходження даної заявки;

- час обслуговування заявок більш пріоритетних класів у порівнянні з класом k, що надійшли протягом часу очікування .

Таким чином:

.

У роботі приводиться таке співвідношення для середнього часу очікування обслуговування:

де E(²) - другий момент розподілу часу обслуговування,

f_ik - очікувана частина заявок i-го класу, що знаходяться в черзі на момент надходження даної заявки і обслуговуватимуться раніше неї,

g_ik - очікувана частина заявок i-го класу, що надходять за час (пізніше даної заявки), але обслуговуватимуться раніше.

З визначень f_ik і g_ik очевидно, що: f_ik = 1 при i k, g_ik = 0 при i k.

У виразі (4) необхідно визначити коефіцієнти f_ik і g_ik.

Вважаємо, що деяка заявка i-го класу надходить у довільний момент часу і знаходиться в черзі w(Т₁) одиниць часу до надходження аналізованої заявки в момент Т₁. Неважко помітити, що, якщо w(Т₁) > T₁ + T₂, то заявка i-го класу буде мати більш низький пріоритет, ніж аналізована. У момент Т₂ пріоритети обох заявок стають рівними. Враховуючи, що коефіцієнти вартості аналізованих класів заявок визначають тангенс кута нахилу функції пріоритету, маємо таке рівняння:

. (5)

Математичне очікування числа заявок i-го класу, що одержують обслуговування раніше аналізованої, визначається як

- імовірність того, що заявка, що прибула за цей інтервал, перебуватиме в черзі протягом одиниць часу.

На основі (5) і (6) приходимо до такого результату для математичного очікування:

.

З огляду на те, що , одержуємо шукане значення:

f_ik =C_i /C_k.

Очевидно, що для i-го класу заявок справедливо таке співвідношення:

,

де E(m_i) - математичне очікування числа заявок i-го класу в черзі.

Значення Т₁ можна визначити з рівняння

.

Тоді шуканий коефіцієнт записується у вигляді

.

Однією з найважливіших характеристик є довжина черги в системі обслуговування, що визначає в кінцевому рахунку розмір буфера для пакетів, що надходять у вузол. Середня довжина черги може бути обчислена як

Отримані співвідношення використовуються для розрахунку часу затримки інформаційних пакетів у комутаційних вузлах і в якості параметрів процедури адаптивного керування.

У третьому розділі представлений вдосконалений метод управління трафіком, що дозволяє більш ефективно використати смугу пропускання, а також знизити рівень відмов у обслуговуванні в мережах з асинхронним способом передачі інформації. При розробці методу управління трафіком, використалися математичні моделі каналу зв'язку й вузлів комутації. Як вихідні параметри використалося середнє число заявок k-ї служби на j-му цифровому тракті і дисперсія заявок , при j = 1,M. M - число цифрових трактів зв'язку. Характеристики пропускної спроможності для передачі, потрібної абонентам k-ї служби, визначаються в такий спосіб:

Імовірність того, що пропускна спроможність Bi задовольняє вимогам i-го вузла дорівнює:

Імовірність того, що випадкова величина пропускної спроможності, що необхідна для забезпечення заданого параметра якості перевищить пропускну спроможність j-го тракту зв'язку дорівнює:

У загальному випадку, число заявок на віртуальне з'єднання, що надходять на i-й вузол (i = 1..N) від користувача k-ї служби, описується пуассонівським законом розподілу із середнім значенням і дисперсією рівним відповідно:

- кількість абонентів k-ї служби на i-му вузлі.

За нормального закону розподілу сумарної пропускної спроможності щільність розподілу ймовірностей пропускної спроможності, необхідна абонентам k-ої служби i-го вузла, дорівнює:

де - математичне очікування пропускної спроможності, необхідної для задоволення потреб абонентів k-ої служби i-го вузла; - середньоквадратичне відхилення пропускної спроможності, необхідної абонентам k-ої служби i-го вузла.

З огляду на те, що служби незалежні між собою, вираз для визначення ймовірності того, що пропускна спроможність i-го вузла задовольняє потреби всіх абонентів цього вузла має вигляд:

Тоді ймовірність того, що випадкова величина пропускної спроможності, необхідної для задоволення потреб користувачів перевищить пропускну спроможність j-го тракту зв'язку:

.

Нехай швидкість передачі абонента k-ої служби є дискретною випадковою величиною, що набуває максимального значення з імовірністю p^(k) і мінімального значення з імовірністю q^(k) =1-p^(k).

У цьому випадку, середнє значення й дисперсія кількості пакетів АТМ, які необхідні абонентові k-ї служби для транспортування створюваного ним трафіка дорівнюють відповідно:

,

де L_инф = 384 біт - довжина інформаційної частини АТМ пакета,

Модифікований метод управління трафіком включає засоби зворотного зв'язку для всіх класів якості обслуговування. Така система зворотного зв'язку має ряд переваг. Одним з них є можливість контролю параметрів затримки з боку джерела, що дозволяє передбачати перевантаження в мережі й вживати відповідних заходів, аж до завчасної ремаршрутизації. Це особливо актуально у випадках, коли перевантаження викликані відмовами проміжних комутаторів. Обхід завантаженої ділянки може також здійснюватися для збільшення швидкості передачі з метою мінімізації загальної затримки передачі трафіка для даного з'єднання й більш рівномірного розподілу завантаження у мережі.

У той же час, для модифікованої схеми можлива мінімізація затримок при передачі комірки за рахунок мінімізації часу передачі.

З метою підвищення ефективності передачі весь трафік відповідно до якості сервісу розділяється на кілька черг, для яких використається пріоритетна схема обслуговування з динамічним пріоритетом. За основу взятий алгоритм управління пропускною спроможністю, що використовує віртуальний час закінчення передачі для визначення пріоритету комірки.

У четвертому розділі розглянуті методи формування й підтримки багаторівневої структури динамічно реконфігурованої мережі, що дозволяє мінімізувати об'єм маршрутної інформації й частоту її оновлення. При цьому мережа розбивається на віртуальні підмережі, кожна з яких складається з доменів. У процесі функціонування мережі здійснюється реконфігурація доменів з метою скорочення часу передачі інформації й оптимізації мережевого трафіка. Із цією метою в рамках комп'ютерної мережі формується множина зв'язаних між собою інтелектуальних агентів, що поєднують функції контролерів доменів і маршрутизаторів.

Критерієм розбивки мережі на віртуальні підмережі є відношення інтенсивності зовнішніх потоків до інтенсивності внутрішніх потоків. Як обмеження розглядається діаметр графа й завантаження каналів передачі даних. Задача формування віртуальних підмереж зводяться до задачі розбивки неорієнтованого графа G = (V, E) на множині слабозв'язаних графів. Основною операцією алгоритму є послідовне об'єднання множин A_i = {v_j e_i,j 0} між собою. Вихідною множиною A₀ вибирається множина A_i з максимальною кількістю елементів. Потім з множин, що залишилися, вибирається множина Ai, що утвориться шляхом об'єднання з A₀ максимальна множина A_м=( A₀ A_i). Визначається число (r₁=k+m), де k - кількість об'єднаних множин, m- розмір множини A_м. Після першого кроку величина r=2+m.

На другому й наступному кроках здійснюється об'єднання аналогічним способом множини A_м з іншими A_м=( A₀ A_i).

Процес об'єднання закінчується при (k+m)=n або i=n. У першому випадку вихідний граф є незв'язним, у другому випадку розділення вихідного графа на підграфи визначається співвідношенням підмножин A₀ , A_{м ,} A_{с .}.

Розбивку мережі на домени зведено до задачі формування на заданій множині V ={v_i i=1,2,…,n} вершин графа G = (V, E) нечітких множин з максимальною сумою кардинальних чисел .

Вираз являє собою пару , де: - функція належності v_i нечіткій множині A_j, що змінюється в межах [0,1]. На підставі значення визначається доцільність формування й зберігання маршрутної інформації для вершини v_i у контролері домена D_j.

За умови 0.5 1 у контролері домена D_j для вузла v_i формується й підтримується маршрутна інформація. Значення = 1 відповідає нерухомому вузлу, для якого маршрутна інформація формується тільки в одному з контролерів домена. При значеннях = 0.5 маршрутна інформація одночасно формується у двох суміжних доменах. Це дає можливість скоротити час ремаршрутизації при переміщенні мобільного вузла. Для мобільних мереж значення відповідає ймовірності знаходження абонентської системи в зоні дії базової станції, яка залежить від розміру кластера, місця розташування, швидкості й напрямку переміщення мобільного вузла, який знаходячись на відстані l < r від її границі й пересуваючись зі швидкістю V протягом інтервалу часу t, може вийти з підмережі, де r = V t. Зокрема при круглій формі підмережі розглянута область обмежена окружностями з радіусами R і (R-r), де R- радіус підмережі. При R l, мобільний вузол з певною ймовірністю може переміститися тільки в сусідній домен. При рівномірній щільності розподілу ймовірності переміщення мобільного вузла ймовірність виходу його з домена залежить від ймовірності знаходження мобільного вузла в області S_a обмеженої радіусами R і (R - r): P_a = 1 - (R - Vt)²/ R ².

У цьому випадку ймовірність виходу мобільного вузла з домена залежить від його розташування усередині домену і визначається виходячи із площі S₀ зовнішнього сегмента, утвореного окружностями з радіусами R і r, центри яких розташовані між собою на відстані: z₀= R-l. Половина довжини хорди зовнішнього сегмента дорівнює:

.

Площа зовнішнього сегмента S₀ дорівнює:

.

Ймовірність виходу з домену мобільного вузла, розташованого на відстані d від внутрішньої окружності дорівнює: P(d) = S₀/r². Представлена залежність імовірності P_i виходу мобільного вузла з домена при різних значеннях коефіцієнта К = Vt/ R.

Значення ймовірності P_i 0.5 при К 1. Звідси випливає, що дублювати маршрутну інформацію в суміжних кластерах для мобільного вузла доцільно при значеннях коефіцієнта К, який знаходиться в межах [0.9 1.25]. При високих швидкостях переміщення мобільних вузлів необхідно збільшувати діаметр домена або розміщати інтелектуальну маршрутизацію на більш високому структурному рівні.

У роботі показано, що запропонований спосіб формування доменів не критичний до вибору початкової вершини, у якості якої може бути обрана довільна вершина. Це є основною передумовою для розробки розподіленого способу формування доменів D_i, що полягає в наступному:

Перевіряється умова v_j D_i. При відсутності ознаки належності до одного з доменів вузол v_j починає процедуру пошуку найближчого домена, що полягає в обміні інформацією із суміжними вузлами v_i про належність їх до одного з доменів D_j.

...