Методи та інформаційна технологія розробки бездротових локальних мереж з керованими параметрами канального рівня

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.13.06 - Інформаційні технології

Методи та інформаційна технологія розробки бездротових локальних мереж з керованими параметрами канального рівня

Мохамед Саїд Газал

Харків 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: заслужений винахідник України, доктор технічних наук, професор Харченко Вячеслав Сергійович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", завідувач кафедри комп'ютерних систем і мереж.

Офіційні опоненти: - заслужений винахідник України, доктор технічних наук, професор Краснобаєв Віктор Анатолійович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, професор кафедри автоматизації та комп'ютерних технологій; - кандидат технічних наук, доцент Стрюк Олексій Юрійович, Військовий інститут телекомунікацій та інформаційних технологій Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут", докторант науково-організаційного відділу

Захист відбудеться “18” ____червня____ 2010 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.01 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17, радіотехнічний корпус, ауд. 232.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут".

Автореферат розісланий “14” __травня__ 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради _______________ М.О. Латкін

1. Загальна характеристика роботи

бездротовий локальний мережа абонент

Актуальність теми дослідження. Розвиток і широке поширення локальних і корпоративних комп'ютерних мереж для інформаційних систем різного призначення вимагає постійного вдосконалювання мережних технологій. Проблеми використання комп'ютерних мереж пов'язані з перевищенням строків і бюджету проектів на 50-70%. Одне з найбільш важливих напрямків їх удосконалювання, що дозволяють збільшити оперативність розгортання й мобільність мереж, пов'язане із впровадженням бездротових або Wi-Fi технологій на основі стандартів IEEE серії 802.11. Такі технології дозволяють розв'язати так звану проблему «множини проводів», що з'єднують абоненти (персональні комп'ютери, мобільні телефони, радіодатчики). Бездротові технології широко застосовуються при створенні інформаційних систем для аеропортів і транспортних засобів, лікарень і спортивних споруд, місць масової розваги та ін.

Незважаючи на ряд проблем, таких як недостатня керованість і надійність, складність прогнозування пропускної спроможності, доступної абонентам та інші, бездротовим технологіям немає альтернативи у таких застосуваннях як системи керування бойовими діями, інформаційні інфраструктури при надзвичайних ситуаціях (цунамі й землетрусах) та ін.

У результаті аналізу основних факторів, проблем і наслідків розробки й впровадження бездротових мереж визначені ключові задачі, що вимагають вирішення: вибір кількості й місць розташування точок доступу, потужності їх роботи, частотного діапазону та ін. з метою покриття заданої території й підтримки необхідної пропускної спроможності для заданої кількості абонентів; підтримка високої продуктивності та готовності бездротової мережі в процесі експлуатації незалежно від несприятливих факторів, що впливають.

Аналіз публікацій фахівців у даній області в Україні й за рубежем, зокрема, Вишневського В.М., Зайцева А.А., Ляхова А.І., Шахновича І.В. Gast M, Tse D., Viswanath P., Webb W. та інш. дозволив зробити висновок про відсутність методичного забезпечення й інформаційних технологій, які б дозволяли здійснювати покрокову розробку й верифікацію бездротових мереж, забезпечувати необхідний рівень продуктивності при зміні числа абонентів з урахуванням вартісних та інших обмежень.

Відсутність досконалих методів призводить, по-перше, до помилкового визначення кількості точок доступу, їх нераціонального розподілу для забезпечення необхідних умов покриття зони обслуговування, а отже, збільшення витрат; по-друге, до додаткового зниження пропускної здатності, доступної більш швидкісним абонентам.

Оскільки при розробці та модернізації бездротових мереж використовуються стандартні технології та мережне обладнання, то можливості розробників суттєво обмежуються, якщо вони не застосовують нові процедури, які можуть бути реалізовані програмними засобами. Такі процедури і засоби, зокрема, доцільно розробляти з урахуванням потенційних можливостей програмного або програмно-апаратного керування деякими параметрами бездротових мереж канального рівня.

Необхідно підкреслити, що незважаючи на досить стрімкий розвиток бездротових технологій, інструментальна підтримка розробки та верифікації параметрів мереж базується на далеких від оптимальних рішеннях і вартісних ітеративних процедурах.

Таким чином, актуальною науковою задачею є розробка методів та інформаційної технології проектування бездротових локальних мереж з керованими шириною вікна конкуренції абонентів і параметрами точок доступу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких викладені в дисертації, проводилися у 2006-2009 рр. відповідно до державних планів НДР, програм і договорів, що виконувалися у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "ХАІ" Д503-45/2006 “Теоретичні основи, методи та інструментальні засоби аналізу, розробки і верифікації гарантоздатних інформаційно-управляючих систем для аерокосмічних об'єктів і комплексів критичного застосування” (№ 0106U001071), а також у JSS Academy (Дубаї, Об'єднані Арабські Емірати) і Syrian Virtual University (Дамаск, Сирія).

Роль автора у цих науково-дослідних темах і проектах, у яких дисертант був безпосереднім виконавцем, полягає у розробці моделей оцінки продуктивності, методів її підвищення та елементів інформаційної технології проектування бездротових комп'ютерних мереж.

Мета і задачі. Метою дисертаційної роботи є підвищення продуктивності бездротових комп'ютерних мереж на основі розробки і практичного використання методів та інформаційної технології їх створення і керування параметрами мережних засобів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі.

1. Проаналізувати методи і засоби розробки, забезпечення продуктивності й надійності бездротових комп'ютерних мереж для багатопрофільних споруд.

2. Виконати експериментальні дослідження факторів зниження продуктивності бездротових локальних мереж залежно від кількості абонентів, їх розташування й використовуваної бітової швидкості передачі.

3. Удосконалити й дослідити метод оцінки пропускної спроможності бездротових локальних мереж з урахуванням кількості абонентів, активних мережних підключень, а також використовуваних ними бітових швидкостей передачі інформації.

4. Розробити метод підвищення продуктивності бездротових локальних мереж при наявності високошвидкісних і низькошвидкісних абонентів на основі управління шириною вікна конкуренції.

5. Розробити метод проектування бездротових локальних мереж з урахуванням вимог до пропускної спроможності абонентів на основі покриття зони обслуговування множиною точок доступу та керування їх параметрами.

6. Запропонувати інформаційну технологію для розробки бездротових локальних мереж з необхідною продуктивністю та готовністю.

7. Виконати практичне впровадження запропонованих моделей, методів й інформаційної технології при оцінюванні, розробці й експлуатації бездротових мереж.

Об'єкт дослідження - процеси аналізу, розробки й експлуатації розподілених інформаційних систем (ІС) з використанням бездротових мережних технологій.

Предмет дослідження - методи й інструментальні засоби проектування бездротових локальних мереж, аналізу й підвищення їх продуктивності при створенні, реінжинірингу й експлуатації.

Методи дослідження. При дослідженнях використовувались: принципи системного аналізу - для визначення сукупності факторів впливу на характеристики бездротових мереж, формулювання наукових задач та послідовності розробки мереж; методи теоретико-множинного та імовірнісного опису інформаційних процесів у мережах - для розробки аналітичних залежностей для оцінки продуктивності та процедур управління параметрами; апарат теорії марковських процесів з дискретними станами та безперервним часом - для розробки моделей готовності мереж і дослідження впливу різних параметрів на їх комплексні показники.

Наукова новизна одержаних результатів.

1) Вперше розроблено метод підвищення продуктивності бездротових локальних мереж на основі адаптивного управління шириною вікна конкуренції, який, на відміну від існуючих, базується на наданні абонентам доступу до середовища передачі пропорційно бітовій швидкості бездротового підключення, що дозволяє запобігти падінню продуктивності мережі при одночасному обслуговуванні високошвидкісних і низькошвидкісних абонентів;

2) Удосконалено:

- метод оцінки пропускної спроможності бездротових локальних мереж шляхом урахування впливу різниці бітових швидкостей абонентів, що дозволяє підвищити повноту аналізу й оцінювання продуктивності бездротових мереж при одночасному обслуговуванні високошвидкісних і низькошвидкісних абонентів;

- метод проектування бездротових локальних мереж на основі покриття зони обслуговування точками доступу з фіксованими й змінними параметрами, що дозволяє забезпечити виконання вимог до пропускної спроможності бездротових абонентів та готовності з урахуванням їх кількості та безвідмовності точок доступу.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що:

1) запропоновані методики й алгоритми оцінки й підвищення продуктивності, а також розробки бездротових локальних мереж для багатопрофільних споруджень;

2) розроблені інструментальні засоби для розміщення точок доступу бездротових комп'ютерних мереж за критерієм „продуктивність-вартість”;

3) запропоновані архітектура й моделі баз даних для розробки бездротових локальних мереж з необхідними характеристиками до продуктивності й готовності.

Ці результати формують прикладну інформаційну технологію, що дозволяє автоматизувати прийняття рішень при оцінці, розробці та використанні бездротових мереж.

Результати досліджень впроваджені у:

1) JSS Academy, Дубаї, З'єднані Арабські Емірати, при розробці бездротової комп'ютерної мережі, що забезпечило підвищення продуктивності і безпеки при зниженні додаткових витрат (акт впровадження від 03.10.2009р.);

2) Syrian Virtual University, у навчальному процесі при підготовці навчальних курсів з мережних та інформаційних технологій (акт впровадження від 03.11.2009р.);

3) Науково-технічному спеціалізованому конструкторському бюро «Полісвіт», при методик та утиліт для проектування, дослідження та вибору варіантів мережних та програмних засобів для авіаційних інформаційно-управляючих систем (акт впровадження від 22.01.2010р.);

4) у навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ" (акт впровадження від 24.09.2009р.).

Достовірність нових наукових положень і висновків дисертаційної роботи підтверджується:

- результатами практичного застосування моделей, методів і інформаційної технології розробки й забезпечення продуктивності бездротових локальних мереж;

- експериментальними дослідженнями бездротових мереж, що дозволили виявити різні фактори впливу на продуктивність і обґрунтувати вихідні дані для теоретичних розробок;

- зведенням розроблених аналітичних залежностей до відомих і апробованих при граничних значеннях додаткових керованих параметрів мережних засобів.

Особистий внесок здобувача полягає у розробці нових моделей і методів, що забезпечують вирішення поставлених у дисертації задач. Всі наукові результати отримані автором особисто. Робота [7] опублікована без співавторів. У роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать: моделі марковських процесів [1,9], послідовність і елементи інформаційної технології розробки бездротових мереж з необхідними характеристиками [3], методи підвищення їх продуктивності [2], постановки задач і методики проведення та аналізу результатів експериментальних досліджень мереж [5,6], оцінка надмірності протоколів стека ТСР/IP [4], а також процедура синтезу топології кампусної мережі при використанні змішаних бездротових технологій [8].

Апробація результатів. Результати досліджень доповідались і обговорювались на науково-технічних семінарах кафедри комп'ютерних систем і мереж Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, а також на: Міжнародній науково-практичній конференції «Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні» (м. Харків, 2008-2009 рр.), Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми інформатики та моделювання» (м. Харків, НТУ ХПІ, 2008 р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Гарантоздатні системи, сервіси та технології» (м. Кіровоград, 2007 р., 2009 р.).

Публікації. Основні результати дисертації відображені у 9 роботах, серед яких 5 статей у наукових журналах і збірниках наукових праць, що включені до переліку фахових видань ВАК України, а також 4 тези доповідей у збірниках матеріалів наукових конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації складає 180 сторінки, у тому числі: 16 рисунків на 10 окремих сторінках, 1 таблиця на 1 окремих сторінках, список з 109 використаних літературних джерел на 12 сторінках, 2 додатки на 8 сторінках.

2. Основний зміст роботи

Вступ дисертаційної роботи містить: обґрунтування актуальності теми й наукових задач; інформацію про зв'язок роботи з науковими програмами; мету й задачі дослідження; об'єкт, предмет і методи дослідження; характеристику наукової новизни та практичного значення результатів, особистого внеску здобувача; дані щодо реалізації, апробації та публікації результатів.

У першому розділі проведено аналіз сучасних мережних бездротових технологій, інструментального та методичного забезпечення проектування бездротових мереж з урахуванням вимог до продуктивності, надійності, енергоспоживання та вартості.

Постановка задачи базується на аналізі предметної області за схемою «фактори - проблеми - наслідки - рішення, що пропонуються - результати, що очікуються». Обґрунтовано загальна і часткові наукові задачі, математичний апарат і методика досліджень у три етапи: експериментальні дослідження мереж, теоретичні дослідження, розробка та апробація інформаційної технології.

Другий розділ дисертації присвячено експериментальним дослідженням залежності пропускної спроможності бездротових мереж від відстані абонентів від точки доступу, кількості абонентів, інтенсивності інформаційного обміну і відношення швидкостей. Це дозволило зробити низку висновків, зокрема:

1) про істотний вплив кліматичних факторів і відстані на пропускну спроможність і бітову швидкість адаптера; при цьому встановлене, що усталена робота бездротового мережного з'єднання на швидкості 54 Мбіт/с усередині будівлі спостерігалася тільки в радіусі 4-5 метрів від точки доступу;

2) про істотний (практично в 2 рази) зниженні пропускної здатності при переході від конфігурації безточкового обміну (ad-hoc) до конфігурації «інфраструктура» з використанням точки доступу. Це пов'язане з тим, що процес передачі інформації при роботі бездротової мережі в режимі «інфраструктура» розбивається на два етапи: передача мережного кадри від відправника точці доступу; ретрансляція точкою доступу кадру даних отримувачеві. Оскільки передача даних ведеться в тому самому частотному діапазоні, це й приводить до двократному зниженню пропускної спроможності в порівнянні з режимом Ad-hoc, коли два абоненти бездротової мережі обмінюються кадрами даних безпосередньо;

3) про багаторазове зниження пропускної спроможності кожного абонента при збільшенні кількості активних абонентів, що передають інформацію в бездротовій локальній мережі з різною бітовою швидкістю. При наявності двох абонентів, що конкурують за середовище передачі в режимі Ad-hoc, один з яких підтримує бітову швидкість передачі 54 Мбіт/с, а другий - 1 Мбіт/с, пропускна здатність кожного абонента буде приблизно однакова й складе близько 0,4 Мбіт/с, що в 135 раз менше бітової швидкості передачі більш швидкісного абонента й усього в 2,5 раз менше бітової швидкості низькошвидкісного абонента. При роботі в режимі інфраструктури з використанням точки доступу ситуація погіршиться ще приблизно у два рази.

Таким чином, було експериментально встановлено, що проблема низької продуктивності бездротових локальних мереж при наявності високошвидкісних і низькошвидкісних абонентів є однієї із ключових для бездротових технологій. Це обумовило перехід до постановки й розв'язку теоретичних задач дослідження.

На першому етапі теоретичних досліджень були розроблені аналітичні моделі та метод оцінки пропускної спроможності бездротових локальних мереж. Структури мереж і результати моделювання див. на рис.1. Зокрема, розроблені вирази для оцінки пропускної спроможності й коефіцієнта її зменшення при наявності n абонентів з різною швидкістю передачі.

Крім того, отримані вирази для оцінки пропускної спроможності бездротового мережного з'єднання в режимі Ad-hoc і в режимі інфраструктури, які дозволили отримати теоретичну межу пропускної спроможності мережі стандарту IEEE802.11g для цих конфігурацій:

. (1)

Середнє значення коефіцієнта зниження пропускної спроможності мережного з'єднання TCP склало 0.393, а діапазон зміни [0,238..0,568].

Таким чином, метод оцінки пропускної спроможності бездротових локальних мереж різної конфігурації, який включає аналітичні вирази і послідовність дій оцінювання є першим науковим результатом.

Теоретичні дослідження підтвердили висновки експериментів про те, що зі збільшенням різниці бітових швидкостей передачі, підтримуваних різними мережними підключеннями, загальна пропускна спроможність комп'ютерної мережі зменшується, навіть якщо кількість мережних підключень залишилася попередньою. У результаті аналізу способів підвищення загальної пропускної спроможності, запропонований метод, що базується на управлінні шириною вікна конкуренції між абонентами бездротової мережі залежно від використовуваної ними бітової швидкості передачі. Вікно конкуренції - інтервал часу, за який абоненти змагаються за право передачі даних. За алгоритмом роботи після кожного фрейму необхідно виждати стандартний міжфреймовий інтервал DIFS, який однаковий для всіх станцій. Після його закінчення кожний абонент бездротової мережі витримує додаткову випадкову затримку. Установка таймера випадкової затримки для кожного абонента дозволяє значно зменшити імовірності ситуацій, коли абоненти будуть намагатися почати передачу даних одночасно.

Для таймера випадкової затримки в бездротових мережах IEEE 802.11g були введено два поняття: максимальна ширина вікна конкуренції CWmax - встановлюється виробником і зберігається в пам'яті мережного адаптеру (зазвичай 255); мінімальна ширина вікна конкуренції CWmin - встановлюється виробником (зазвичай 7), може мінятися в процесі роботи.



Рис. 1 Ad-hoc (а) та інфраструктура (б) та результати моделювання (в, г)

Ідея методу полягає в тому, що більш швидкісні бездротові абоненти повинні використовувати менше вікно конкуренції, ніж менш швидкісні. Метод базується на використанні значення ширини вікна конкуренції, яке визначено з використанням покрокової комбінаторної процедури:

. (2)

Завдання адаптивного управління шириною вікна конкуренції полягає у виборі таких значень CWmin для різних абонентів, при яких відношення комбінаторної імовірності доступу до середовища передачі буде відповідати відношенню їх бітових швидкостей передачі . Кількість сприятливих можливостей отримання доступу до середовища передачі для другого абонента, що має більш широке вікно конкуренції, визначається кількістю комбінацій , де n - значення ширини вікна конкуренції першого абонента CWmin1. Для першого абонента має місце більш складна залежність, а саме , де m - значення ширини вікна конкуренції другого абонента, а n - значення ширини вікна конкуренції першого абонента.

При роботі в режимі Ad-hoc метод адаптивного управління шириною вікна конкуренції включає наступні процедури.

1. Визначення кожним абонентом бітових швидкостей, використовуваних іншими абонентами бездротової мережі для передачі інформації.

2. Виявлення мережного з'єднання з максимальною бітовою швидкістю прийому/передачі інформації.

3. Якщо бітова швидкість передачі інформації, використовувана даним бездротовим абонентом, співпадає з максимальною бітовою швидкістю у мережі, то у якості початкової ширини вікна конкуренції CWmin використовується стандартне значення (CWmin = 7 для мереж IEEE802.11g).

4. Якщо бітова швидкість передачі інформації, використовувана даним бездротовим абонентом менше максимальної бітової швидкості, використовуваної в мережі, то визначається відношення К бітових швидкостей даного абонента й абонента, що використовує максимальну швидкість передачі. Потім, з використанням формули (3) виконується розрахунок початкового значення ширини вікна конкуренції даного абонента з урахуванням того, що абонент з найбільшою швидкістю підключення, використовує стандартне значення ширини свого вікна конкуренції, рівне 7.

5. При зміні власної бітової швидкості передачі або ж при зміні (на основі прослуховування середовища передачі) максимальної бітової швидкості передачі, використовуваної в мережі, абонент виконує перерахунок значення ширини вікна конкуренції.

При роботі бездротової локальної мережі в режимі інфраструктури метод адаптивного управління шириною вікна конкуренції змінюється у такий спосіб.

1. Точка доступу при виконанні широкомовного розсилання інформації повідомляє усіх абонентів про максимальну бітову швидкість підключених до неї абонентів.

2. Бездротовий комп'ютер, отримавши інформацію про максимальну бітову швидкість підключення, яка в цей момент часу підтримується точкою доступу, визначає відношення власної бітової швидкості й максимальної.

3. Якщо бітова швидкість передачі інформації, використовувана даним бездротовим абонентом рівна максимальної бітової швидкості, використовуваної в мережі, то в якості початкової ширини вікна конкуренції CWmin використовується стандартне значення (CWmin = 7 для мереж IEEE802.11g).

4. Якщо бітова швидкість передачі інформації, використовувана даним бездротовим абонентом менше максимальної бітової швидкості, використовуваної в мережі, то на підставі формули (3) виконується розрахунок початкового значення ширини вікна конкуренції даного абонента з урахуванням того, що абонент з найбільшою швидкістю підключення, використовує стандартне значення ширини свого вікна конкуренції.

5. При зміні власної бітової швидкості передачі або ж при зміні (на основі інформації від точки доступу) максимальної бітової швидкості передачі, використовуваної в мережі, абонент виконує перерахунок значення ширини вікна конкуренції.

Таким чином, запропонований метод є другим новим науковим результатом дисертації. Він дозволяє розподілити пропускну спроможність мережі між її абонентами пропорційно кількості абонентів, що передають інформацію, не допускаючи додаткового зниження пропускної спроможності при різниці їх бітових швидкостей.

Основні результати розділу опубліковані у [2, 4-6].

Третій розділ присвячений розробці та дослідженню методу проектування бездротових мереж. Він базується на розв'язанні задачі вибору числа й просторового розміщення точок доступу для інфраструктурної конфігурації й включає наступні етапи.

1. Вибір фігури апроксимації зони дії точки доступу.

2.Визначення кількості точок доступу Q, радіус дії R

і координати розміщення Xi, Yi на основі профілю зони обслуговування (L, W, N, Ureq) і технічних характеристик точок доступу R(Vj). Алгоритм розв'язання даної задачі (рис.2) забезпечує покриття всієї зони обслуговування без зон зниженої продуктивності та гарантує дотримання вимог до пропускної спроможності абонентів при їхньому рівномірному розподілі по площі обслуговування.

На рис. 2 використано такі позначки: N - кількість користувачів мережі; Ureq - мінімальна пропускна спроможність, яка повинна бути доступна кожному абонентові; L, W - довжина й ширина зони обслуговування; R54 - радіус зони дії, що забезпечує максимальну швидкість підключення 54 Мбіт/с; і - округлення до більшого і меншого цілого числа; w - сторона квадрата, вписаного в окружність, що визначає зону дії точки доступу з радіусом; r, с - кількість рядків і стовпців точок доступу; Q, QS, QU - кількість точок доступу: шукане, необхідне для покриття зони обслуговування із заданим радіусом дії точки доступу, необхідне для забезпечення необхідної пропускної спроможності абонентів.



Рис. 2 Алгоритм визначення кількості точок доступу

3. Оцінка ефективності покриття зони обслуговування й ступеня забезпечення необхідної пропускної спроможності з використанням імітаційної моделі, що дозволяє відкоригувати отримані результати (рис.3) і базується на процедурі генерації координат розміщення точок доступу й оцінки середньої пропускної спроможності абонентів.

4. Розробка варіантів адаптації параметрів мережі для збільшення пропускної спроможності при мінімізації додаткових витрат. Запропоновано варіювати потужність, кількість генерованих частот і кількість точок доступу залежно від кількості абонентів і рівня працездатності обладнання.



Рис. 3 Результати імітаційного моделювання

Розроблені варіанти одно- і багатопараметричної адаптації, описувані марковськими моделями "загибель-розмноження", що дозволяють здійснити їхній вибір за критерієм "продуктивність-витрати" (рис.4) . Запропоновані й досліджені марковські моделі готовності адаптивних бездротових мереж, що враховують можливості зміни радіуса дії точки (на рис.4-а показане пунктирною лінією) і кількості частот (рис. 4-а, штрих-пунктирна лінія), а також параметри потоків відмов і відновлень (рис.4-б).

Це дозволило отримати у загальному вигляді систему диференціальних рівнянь,

а також вирази для коефіцієнтів готовності та оперативної готовності (рij, РБРij(t) - імовірності знаходження у станах аij і безвідмовної роботи у цих станах, , w,, - відповідні інтенсивності):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результати моделювання ілюструє графіки на рис.5, де надано залежності KГ(t) для різних рівнів швидкості обміну.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Марковські моделі адаптивних бездротових мереж без урахування (а) та з урахуванням відмов обладнання (б)

В результаті запропоновані два варіанти організації адаптивних мереж:

1) однорівнева система на основі точок доступу з незв'язаними адаптивними параметрами (локальна адаптація);

2) дворівнева система на основі точок доступу зі зв'язаними адаптивними параметрами (системна адаптація).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5 Залежності KГ(t) для різних рівнів швидкості обміну

Рис. 6 IDEF модель розробки бездротової мережі

Таким чином, третім новим науковим результатом є вдосконалений метод проектування бездротових локальних мереж на основі покриття зони обслуговування точками доступу з фіксованими й змінними параметрами.

Основні результати розділу опубліковані у [1, 3, 7, 9].

У четвертому розділі на базі моделей і методів розроблена прикладна інформаційна технологія, що дозволяє виконувати проектування й підтримувати застосування бездротових мереж. Інформаційна технологія включає наступні елементи: 1) загальний алгоритм та IDEF моделі інформаційних потоків, що описують послідовність дій, формати даних, підтримуючі засоби (рис.6); 2) архітектуру й діаграму класів (логічну модель) комп'ютерної системи; 3) інструментальні засоби проектування, зокрема, утиліти „Покриття” і „Wi-Fi-Калькулятор” та інші, які дозволяють автоматизувати виконання основних функцій.

Отримані теоретичні результати були порівняні з результатами експериментальних досліджень. Середнє відхилення теоретичних і експериментальних даних становить 8,3%, що підтверджує вірогідність отриманих теоретичних результатів.

Апробація розроблених методів і засобів виконана на прикладі розробки бездротових локальних мереж для низки об'єктів, зокрема, спорткомплексу Катара.

Основні результати розділу опубліковані у [3, 8].

Висновки

У дисертації проведено теоретичне обґрунтування й одержано нове вирішення актуальної наукової задачі розробки методів та інформаційної технології проектування бездротових локальних мереж з керованими шириною вікна конкуренції абонентів і параметрами точок доступу. При цьому було отримано такі наукові та практичні результати.

1. Вперше розроблено метод підвищення продуктивності бездротових локальних мереж на основі адаптивного управління шириною вікна конкуренції, який, на відміну від існуючих, базується на наданні абонентам доступу до середовища передачі пропорційно бітовій швидкості бездротового підключення, що дозволяє запобігти падінню продуктивності мережі при одночасному обслуговуванні високошвидкісних і низькошвидкісних абонентів.

2. Удосконалено метод оцінки пропускної спроможності бездротових локальних мереж шляхом урахування впливу різниці бітових швидкостей абонентів, що дозволяє підвищити повноту аналізу й оцінювання продуктивності бездротових мереж при одночасному обслуговуванні високошвидкісних і низькошвидкісних абонентів.

3. Удосконалено метод проектування бездротових локальних мереж на основі покриття зони обслуговування точками доступу з фіксованими й змінними параметрами, що дозволяє забезпечити виконання вимог до пропускної спроможності бездротових абонентів та готовності з урахуванням їх кількості та безвідмовності точок доступу.

4. Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці й удосконаленні конкретних інженерних методик аналізу, оцінки й забезпечення продуктивності, а також розробки бездротових комп'ютерних мереж для багатопрофільних споруджень за критерієм “продуктивність-вартість”. Ці результати формують прикладну інформаційну технологію, що дозволяє автоматизувати процеси прийняття рішень при оцінці, розробці та вибору параметрів бездротових мереж.

5. Результати досліджень апробовані або впроваджені на підприємствах і закладах, що займаються розробкою, дослідженнями й експлуатацією бездротових мереж. Використання наукових і прикладних результатів досліджень дозволяє підвищити продуктивність, зменшити додаткові витрати на забезпечення її необхідного рівня при розробці та експлуатації. Підвищення продуктивності за показником підвищення загальної пропускної здатності бездротової мережі досягається пропорційно різниці швидкостей абонентів і для точок доступу з кількома абонентами в середньому складає 3.17 рази, а при максимальній різниці скоростей абонентів збільшується більш ніж в 14 раз. Крім того, адаптація параметрів обладнання точок доступу та системи у цілому додатково підвищує продуктивність мережі, а за умов введення системної адаптації може забезпечити підвищення оперативної готовності мережі при обмеженнях на додаткові витрати.

6. Достовірність нових наукових положень дисертаційної роботи підтверджена результатами експериментальних досліджень та практичного впровадження моделей, методів і інструментальних засобів підтримки процесів розробки, оцінки й забезпечення продуктивності при розробці та використанні бездротових мереж, а також використанням апробованих методик оцінки і зведенням результатів, одержуваних з використанням запропонованих методів, до відомих при граничних значеннях параметрів.

7. Подальші дослідження доцільно спрямувати на розвиток методів управління бездротовими мережами шляхом комбінування процедур локальної (на рівні точок доступу) і глобальної (на рівні системи та взаємодії контролерів точок доступу) адаптації; удосконалювання інформаційної технології для реалізації управління експлуатацією таких мереж за фактичним станом.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Бабий С.М. Алгоритм моделирования управляемой марковской цепи / С.М. Бабий, Л.А. Миняйленко, Мохамед Саид Газал //Радіоелектронні і комп`ютерні системи. - 2009.- № 6 (40). - C.183-186.

2. Мамутов С.С. Анализ производительности коммуникационных протоколов SOAP и TCP / С.С. Мамутов., В.С. Харченко, А.В. Горбенко, Мохаммед Саид Газал // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2007. - № 8 (27). - С. 205-208.

3. Мохамед Саид Газал Метод проектирования беспроводных компьютерных сетей с учетом требований к пропускной способности / Мохамед Саид Газал, В.С. Котик, А.В. Горбенко, О.М. Тарасюк //Системи обробки інформації: зб. наук. праць. - Вип. 1(82). - Х., 2010. - С. 99-103.

4. Мохамед Саид Газал Повышение производительности беспроводных сетей на основе управления порогом фрагментации пакетов данных / Мохамед Саид Газал, А.В. Горбенко, О.М. Тарасюк //Системи обробки інформації: зб. наук. праць. - Вип. 3(21). - Х., 2009. - С. 73-76.

5. Тарасюк О.М. Анализ избыточности протоколов стека TCP/IP / О.М. Тарасюк, А.В. Горбенко, Мохамед Саид Газал // Системи обробки інформації: зб. наук. праць. - Вип. 1(75). - Х., 2009. - С. 130-133.

6. Мамутов С.С. Экспериментальное исследование временних характеристик протоколов SOAP и TCP / С.С. Мамутов., В.С. Харченко, А.В. Горбенко, Мохамед Саид Газал // «Гарантоспособные системы, сервисы и технологии» (DESSERT2007): материалы Научно-технической конференции, Кировоград, 25-28 апреля 2007 г. - С .9.

7. Мохамед Саид Газал. Задачи «покрытия» при разработке информационных систем с использованием беспроводных технологий / Мохамед Саид Газал //Интегрированные компьютерные технологии в машиностроении (ИКТМ2008): материалы Научно-технической конференции, Харьков, 21-24 октября 2008 г. - С .26.

8. Харченко В.С. Поиск оптимальной топологии кампусной компьютерной сети при использовании смешанных беспроводных технологий / В.С. Харченко, Мохамед Саид Газал. //Проблемы информационных технологий и моделирования: материалы Научно-технической конференции, Харьков, 21-24 ноября 2008 г. - С .36.

9. Бабий С.М. Использование алгоритмов моделирования управляемой марковской цепи для исследования сетевых структур. / С.М. Бабий, Л.А. Миняйленко, Мохамед Саид Газал // Гарантоспособные системы, сервисы и технологии (DESSERT2009): материалы Научно-технической конференции, Кировоград, 21-24 апреля 2009 г. - С.26.

Анотація

Мохамед Саїд Газал. Методи та інформаційна технологія розробки бездротових локальних мереж з керованими параметрами канального рівня. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2010.

Дисертацію присвячено розробці методів та інформаційної технології підвищення продуктивності й проектування бездротових локальних мереж на основі управління шириною вікна конкуренції абонентів і параметрами точок доступу. Науковими результатами є такі: 1) вперше розроблено метод підвищення їх продуктивності на основі управління шириною вікна конкуренції, який, на відміну від існуючих, базується на наданні абонентам доступу до середовища передачі пропорційно бітовій швидкості підключення, що дозволяє запобігти падінню продуктивності мережі при обслуговуванні різношвидкісних абонентів; 2) удосконалено метод оцінки пропускної спроможності бездротових мереж шляхом урахування впливу різниці бітових швидкостей абонентів, що дозволяє підвищити повноту оцінювання продуктивності; 3) удосконалено метод проектування бездротових мереж на основі покриття зони обслуговування точками доступу зі змінними параметрами, що забезпечує виконання вимог до пропускної спроможності абонентів та готовності з урахуванням їх кількості та безвідмовності точок доступу. Запропоновані методи та інструментальні засоби дозволяють підвищити продуктивність та готовність бездротових мереж, автоматизувати процеси їх розробки та мінімізувати додаткові витрати на забезпечення необхідного рівня характеристик.

Ключові слова: інформаційна технологія, комп'ютерні мережі, бездротові технології, підвищення продуктивності, точка доступу, адаптація параметрів, марковські моделі, готовність.

Аннотация

Мохамед Саид Газал. Методы и информационная технология разработки беспроводных локальных сетей с управляемыми параметрами канального уровня. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2010.

Диссертация посвящена разработке моделей, методов и информационной технологии повышения производительности и проектирования беспроводных локальных сетей на основе распределения точек доступа и адаптивного управления шириной окна конкуренции абонентов и параметрами точек доступа.

Проведены экспериментальные исследования зависимости пропускной способности беспроводных сетей от удаленности абонентов от точки доступа, количества абонентов и интенсивности информационного обмена, отношения скоростей абонентов и др. Сделаны выводы о многократном снижении пропускной способности каждого абонента при увеличении количества активных абонентов, передающих информацию в беспроводной сети с разной битовой скоростью.

Новыми научными результатами являются следующие.

1. Впервые разработан метод повышения производительности беспроводных локальных сетей на основе адаптивного управления шириной окна конкуренции, который, в отличие от существующих, базируется на предоставлении абонентам доступа к среде передачи пропорционально битовой скорости беспроводного подключения, что позволяет предотвратить падение производительности сети при одновременном обслуживании высокоскоростных и низкоскоростных абонентов. Метод базируется на расчете оптимального значения ширины окна конкуренции. Задача адаптивного управления шириной окна конкуренции заключается в выборе таких его значений для разных абонентов, при которых отношение комбинаторной вероятности доступа к среде передачи будет соответствовать отношению их битовых скоростей передачи.

2. Усовершенствован метод оценки пропускной способности беспроводных локальных сетей путем учета влияния различия битовых скоростей абонентов, что позволяет повысить полноту анализа и оценивания производительности беспроволочных сетей при одновременном обслуживании высокоскоростных и низкоскоростных абонентов. Теоретические результаты подтвердили выводы эксперимента о том, что с увеличением разности битовых скоростей передачи, поддерживаемых разными сетевыми подключениями, общая пропускная способность компьютерной сети уменьшается, даже если количество сетевых подключений осталось прежним.

3. Усовершенствован метод проектирования беспроводных локальных сетей на основе покрытия зоны обслуживания точками доступа с фиксированными и изменяемыми параметрами, который позволяет обеспечить выполнение требований к пропускной способности беспроводных абонентов и готовности с учетом их количества и безотказности точек доступа. Он базируется на решении задачи выбора числа и пространственного размещения точек доступа для инфраструктурной конфигурации, а также разработке вариантов адаптации параметров сети (варьировании мощности, числа генерируемых частот и точек доступа в зависимости от числа абонентов и уровня работоспособности оборудования) и марковских моделей, позволяющими осуществить их выбор по критерию «производительность-затраты».

Предложенные модели, методы и инструментальные средства позволяют повысить производительность и готовность беспроводных сетей, автоматизировать процессы их разработки и минимизировать дополнительные затраты на реализацию.

Результаты исследований внедрены в: 1) JSS Academy (Дубаи, Объединенные Арабские Эмираты), при разработке беспроводной компьютерной сети, что позволило повысить ее производительность и безопасность при снижении стоимости; 2) Syrian Virtual University (Дамаск, Сирия), в учебном процессе при подготовке и проведении дисциплин по сетевым и информационным технологиям; 3) Научно-техническом специализированном конструкторском бюро «Полисвит» (Харьков, Украина), при разработке методик и инструментальных утилит поддержки процессов проектирования и выбора вариантов сетевых и компьютерных средств для авиационных информационно-управляющих систем по критериям производительности и надежности; 4) Национальном аэрокосмическом университете им. Н.Е. Жуковского “ХАИ” при выполнении госбюджетной НИР и в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров по специальности «Компьютерные системы и сети».

Ключевые слова: информационная технология, компьютерные сети, беспроводные технологии, повышение производительности, точка доступа, адаптация параметров, марковские модели, готовность.

Abstract

Mohamed Said Gazal. Methods and information technology of wireless local networks development with controlled parameters of a channel level. - Manuscript.

Thesis on competition of scientific degree of Candidate of Technical Sciences by specialty 05.13.06 -information technologies. - National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, Kharkiv, 2010.

The dissertation is devoted to development of models, methods and information technology of productivity increase and designing of wireless local networks on the basis of access points distribution and adaptive controlling window's width of wireless computers competition and access points parameters. Scientific results are the following: 1) the method of productivity increase of wireless local networks on the basis of adaptive controlling window width of a competition was developed which, unlike existing, is based on granting to subscribers of access to transmit medium proportionally bit speed of wireless connection, that allows to prevent falling of network productivity at simultaneous service high-speed and low-speed computers; 2) the method of an estimation of wireless local networks throughput taking into account of influence of computers bit speeds distinction was advanced; it allows to increase accuracy of the wireless networks productivity assessment for simultaneous service high-speed and low-speed computers; 3) the method of wireless local networks designing on the basis of a service zone covering by points of access with the fixed and changeable parameters was advanced, it allows to provide compliance with the throughput of wireless computers and availability requirements taking into account number and reliability of access points.

The offered models, methods and tool allow to increase productivity and availability of wireless networks, to automate processes of their development and to minimize additional expenses for ensuring of a required values of characteristics.

Keywords: information technology, computer networks, wireless technologies, network productivity, access point, adaptation of parameters, Markov model, availability.

Размещено на Allbest.ru

...