Аналіз та оптимізація показників якості та структур комп’ютерних мереж з технологією АТМ

В цілому створена імітаційна модель є зручним і гнучким інструментом для проектування комп'ютерних мереж з технологією АТМ. Вона надає можливість уточнити основні функціональні характеристики і показники якості, отримані за допомогою аналітичних методів оцінки запропонованих в гл. 1 - 4, проводити аналіз та обґрунтування проектних рішень по топології мережі.

Експериментальні дослідження та практичне використання

На основі запропонованих в дисертації алгоритмів було розроблено програмний пакет АТМ NET Builder, який дозволяє вирішувати широкий спектр задач аналізу характеристик та проектування топології мереж АТМ [14].

Пакет дає змогу проектувальникам оцінювати показники якості Q₀S існуючих мереж АТМ для категорій CBR, VBR та ABR в залежності від інтенсивності вхідних потоків зазначених категорій та пропускних спроможностей КЗ. Крім того, він дозволяє оптимізувати характеристики мереж, зокрема оптимально вибирати ПС каналів та знаходити розподіл потоків трафіків CBR, VBR та ABR в залежності від вхідних потоків при обмеженнях на задані значення показників Q₀S для всіх категорій трафіка, розраховувати та аналізувати показники живучості мереж АТМ.

ПП АТМ NetBuilder дозволяє вирішувати задачі синтезу мереж АТМ за критерієм собівартості при обмеженнях на задані значення показників Q₀S, має розвинений графічний інтерфейс для роботи користувачів, дозволяє в інтерактивному режимі змінювати топологію (додавати та видаляти канали зв'язку та вузли), з виводом нових характеристик.

Крім того, програмний комплекс дозволяє знаходити розвиток структури існуючої мережі з урахуванням різних обмежень. Створений комплекс було використано для розв'язання задачі синтезу структури корпоративної мережі академічного призначення (на прикладі НТУУ «КПІ»). В цій задачі були задані існуючий фрагмент мережі (backbone) і місця розташування всіх навчальних корпусів та студентських гуртожитків (всього 46 вузлів).

В результаті використання розробленого ПК АТМ «NET Builder» було визначено місця розташування комутаторів АТМ, вибрано їхні типи, а також синтезовано структуру мережі АТМ університету, економічний ефект від оптимізації структури мережі складає 165 тис. грн., що становить 25% загальної вартості. Програмний комплекс було також використано для проектування структури перспективної комп'ютерної мережі на оптоволоконних каналах для автоматизованої системи «Експрес-УЗм» АО «Укрзалізниці», що дозволило оптимізувати структуру мережі та суттєво на (40%) скоротити очікувані капітальні витрати на побудову корпоративної мережі.

Створений ПК дозволяє суттєво скоротити витрати часу на проектування мереж АТМ, обґрунтовано вибрати проектні рішення, значно зменшити очікувані капітальні витрати на створення комп'ютерних мереж (глобальних та корпоративних) за рахунок прийняття субоптимальних та оптимальних проектних рішень.

Проведені численні експерименти, в процесі яких досліджувалась ефективність запропонованих алгоритмів та програм. В першій серії експериментів досліджувався алгоритм РП В експериментах досліджувались залежності середньої ймовірності втрати ячейок і середніх затримок трафіків VBR і ABR у залежності від величини вхідного трафіка VBR. Обсяг трафіка VBR варіювався шляхом зміни коефіцієнта k_VBR у діапазоні [3,5-4,5]. H^VBR (k)=k_VBR*H^VBR.

Були знайдені залежності CLR_VBR, CTD_VBR та CTD_ABR від зміни величини k_VBR. Далі були проведені експериментальні дослідження зазначених показників T_VBR, T_ABR і CLR_VBR від зміни інтенсивності трафіка ABR.

В наступній серії експериментів досліджувалась ефективність алгоритму ВПСРП. В процесі експериментів розв'язувались задачі ВПС РП для трафіків категорій VBR та ABR. В процесі експериментів в задачах варіювались матриці вхідних потоків, а також показники якості .

В результаті знайдено залежність сумарної вартості мережі при варіюванні матриці вимог трафіка VBR при , а також трафіка CBR.

Проведено численні експерименти з програмою аналізу показників живучості мереж. В процесі експериментів було досліджено чутливість показників живучості до варіації показників якості CLR, CTD для категорій CBR, VBR та ABR. а також чутливість до варіації показників надійності - коефіцієнтів готовності каналів та вузлів.

В результаті експериментів встановлено, що найбільший вплив на показники живучості мереж АТМ мають показники надійності елементів мережі (коефіціенти готовності каналів та вузлів) та обмеження на величину CTD для категорії CBR та VBR.

На основі запропонованого алгоритму синтезу структури мереж було розроблено відповідний програмний модуль «Syntez» та проведені його експериментальні дослідження. Зокрема вирішувалась задача синтезу структури глобальної комп'ютерної мережі Задані такі ймовірності втрати комірки та допустимі часові затримки:

; ; .

В результаті роботи програми були синтезовані наступні початкова (D0) та кінцева оптимальна структури.

Отримані наступні показники ймовірності втрати комірки та середньої затримки: ; ; .

Вартість мережі D0 дорівнює 144113518,5 у.о. Вартість кінцевої синтезованої структури дорівнює 34153987,82 у.о. Таким чином, в результаті застосування програми оптимізації структури вартість мережі було скорочено на 70%.

Були проведені експерименти з програмою синтезу мереж АТМ, що розвиваються У якості вихідних даних для експериментів використовувалися дані з бази даних програмного комплексу АТМ «Net Builder».

Експерименти було організовано за наступними принципами:

- Вибирається різна кількість етапів синтезу (N=3, 4, 5).

- Для кожного зафіксованого числа етапів вибирається різний розподіл коштів по етапах - убуваюче, постійне і зростаюче.

- Запускається програма динамічного синтезу, виконуються експерименти, після чого проводиться порівняльний аналіз результатів.

Опускаючи деталі, наведемо підсумкові результати моделювання динаміки розвитку мереж АТМ.

Висновки

1. Отримано аналітичні моделі для оцінки основних показників якості Q₀S, а саме CTD, CDV та CLR для різних категорій сервісу: CBR, VBR та ABR. Ці оцінки використовуються в наступних задачах аналізу і оптимізації характеристик комп'ютерних мереж АТМ.

2. Сформульовано задачу вибору пропускних спроможностей (ВПС) каналів зв'язку мереж АТМ при обмеженнях на задані значення Q₀S для різних категорій сервісу. Розроблено алгоритм ВПС, який дозволяє знайти оптимальні пропускні спроможності каналів зв'язку, при обмеженнях.

3. Сформульовано задачу вибору віртуальних маршрутів передачі та розподілу потоків для трафіків CBR, VBR та ABR. Розроблено метод РП для ї] розв'язання, який дозволяє знайти оптимальний розподіл потоків за критерієм мінімума одного з показників якості (CLR), при обмеженнях на інші показники для трафіків CBR, VBR та ABR.

4. Сформульовано комбіновану задачу ВПС РП для мереж АТМ і запропоновано алгоритм її розв'язання, який дозволяє знайти одночасно оптимальні пропускні спроможності та розподілення потоків категорій CBR, VBR, ABR.

5. Розглянуто та досліджено проблему оцінки живучості мережі АТМ. Запропоновано показники живучості мереж АТМ для трафіків CBR, VBR та ABR. Розроблено алгоритм оцінки показників живучості та методику аналізу живучості мереж АТМ для різних видів трафіка. Запропоновано алгоритм, який дає можливість оптимізувати структуру мережі АТМ при обмеженнях на показники живучості.

6. Досліджено задачу знаходження максимального багатопродуктового потоку в мережах АТМ. Доведено ряд властивостей оптимального потоку в мережах АТМ, на основі яких розроблено оригінальний метод знаходження максимального потоку трафіків CBR, VBR та ABR в мережах АТМ, який дозволяє знайти максимальний потік різних категорій, при відмовах елементів мережі.

7. Сформульовано задачу структурного синтезу комп'ютерних мереж з технологією АТМ за критерієм вартості при обмеженнях на показники якості Q₀S різних категорій трафіка і розроблено генетичний алгоритм синтезу структури комп'ютерних мереж з технологією АТМ.

8. Сформульовано задачу синтезу структури корпоративних мереж з комутаторами та запропоновано алгоритм її розв'язання, який дозволяє вибрати типи комутаторів АТМ, знайти місця їх розташування та оптимізувати структуру мережі зв'язку терміналів з магістраллю.

9. Сформульовано нові задачі структурного синтезу мереж, що розвиваються, та розроблено алгоритми їх вирішення, які дозволяють знайти оптимальний план розвитку мереж АТМ при обмеженнях на капітальні витрати на побудову мереж по етапах.

На основі результатів 1-9 в дисертації створено науково-методологічні основи для аналізу та оптимального проектування (синтезу) структури мереж з технологією АТМ.

10. Основним практичним результатом дисертації є розробка на основі запропонованих моделей і методів інструментальних програмних комплексів NetBuilder та «ATM NetBuilder» для аналізу і оптимізації характеристик мереж АТМ та синтезу їх структури.

11. Пакет «ATM NetBuilder» було використано для синтезу структури корпоративної мережі АТМ університету. В результаті були визначені місця розташування комутаторів АТМ та оптимізовано структуру телекомунікаційної мережі університету за критерієм вартості. Пакет також було використано для проектування топології мережі `» Експрес-УЗм» АО «Укрзалізниця» на оптоволоконних каналах. В результаті застосування визначено оптимальну структуру корпоративної мережі та пропускні спроможності каналів, вибрано типи комутаторів та місця їх розташування.

Проведені експериментальні дослідження та результати практичного використання підтвердили, що створений на основі запропонованих в дисертації моделей та методів інструментальний програмний комплекс «ATM NetBuilder» дозволяє значно скоротити витрати часу на проектування мереж АТМ та суттєво зменшити капітальні витрати на побудову мереж за рахунок прийняття оптимальних проектних рішень.

Достовірність основних наукових результатів та висновків дисертації забезпечується коректним використанням сучасного математичного апарату оптимізації, строгим доведенням теорем, на яких ґрунтуються деякі запропоновані методи, і підтверджено шляхом практичного впровадження роботи.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Зайченко Е.Ю. Анализ и синтез структуры глобальных вычислительных сетей. - Киев: ЗАО «Укрспецмонтаж», 1998. - 108 с.

2. Зайченко Ю.П., Зайченко Е.Ю. Нахождение максимального потока и анализ показателей живучести при отказах. // Автоматика и телемеханика, 1996. - №6. - с. 102-113. Автором виконано дослідження умов оптимальності потоку та запропоновані показники живучості мереж.

3. Зайченко Ю.П., Зайченко О.Ю., Моховиков Р.С., Полевничий А.В. Комплекс алгоритмів і програм структурного синтезу та аналізу глобальних комп'ютерних мереж. // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 1997. - №1. - с. 7-17. - Автором розроблено алгоритми аналізу живучості та оптимізації характеристик мереж.

4. Зайченко О.Ю., Печурін М.К. Синтез структури регіональних обчислювальних мереж при додаткових умовах. // Вісник Київського університету. Серія фізико-математичних наук. - К, 1999. Вип. №4 - с. 157-160. - Автором запропоновано алгоритм синтезу структури мереж при додаткових обмеженнях.

5. Зайченко О.Ю. Оптимальний вибір пропускних здатностей каналів зв'язку в мережах АТМ. // Наукові вісті НТУУ «КПІ», 2000. - №6. - с. 48-53.

6. Зайченко О.Ю. Вибір маршрутів передачі та оптимальний розподіл потоків у мережах з технологією АТМ. // Наукові вісті НТУУ «КПІ», 2001. - №4. - с. 16-24.

7. Зайченко О.Ю. Структурний синтез глобальних мереж з технологією АТМ за заданими показниками якості обслуговання. // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 2001. - №5. - с. 5-11.

8. Зайченко О.Ю. Аналіз показників живучості мереж з технології АТМ. // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 2001. - №3. - с. 14-21.

9. Зайченко Ю.П., Зайченко Е.Ю., Поспелов И.В. Комплекс программ анализа синтеза структуры региональных и глобальных вычислительных сетей. // Управляющие системы и машины. - 2000. - №5/6. - с. 71-87. - Автором виконано дослідження алгоритмів оптимізації характеристик та синтезу структур глобальних мереж

10. Зайченко Е.Ю. Моделирование цифровой сети с АТМ. // Вестник Харьковского Государственного Политехнического Университета. - 1999. Выпуск №73. - с. 70-75.

11. Зайченко О.Ю., Зайченко Ю.П., Вішталь Д.М., Хотячук Р.Ф. Синтез структури корпоративної мережі з комутаторами. // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 2001. - №6. - с. 5-14.-Автором виконано постановку задачі та розроблено алгоритм розміщення концентраторів.

12. Зайченко О.Ю., Зайченко Ю.П., Зайчикова О.В. Аналіз методів керування трафіком в мережах АТМ. // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 2002. - №3. - с. 12-17. - Автором проведено дослідження методів керування трафіком ABR на основі зворотних зв'язків.

13. Зайченко Ю.П., Зайченко О.Ю., Аврутін О.А., Архіпенко Д.Д., Панченко І.В. Інструментальний комплекс алгоритмів і програм структурного аналізу та синтезу мереж «АТМ NETBUILDER». // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 2002. - №5.-Автором запропоновано алгоритми аналізу показників якості мереж з технологією АТМ

14. Зайченко Е.Ю. Оптимизация характеристик сетей с технологией АТМ. // Системні дослідження та інформаційні технології. - 2002. - №3.

15. Зайченко Е.Ю. Динамические задачи структурного синтеза компьютерных сетей с технологией АТМ и методы их решения. // Науково-технічний збірник «Правове, нормативне та метрологічне забезпечення системи захисту інформації в Україні». Вип. №4. - 2002.

16. Зайченко О.Ю., Зайченко Ю.П., Круглов Д.В. Імітаційне моделювання корпоративної мережі АТМ із різними методами керування трафіками. // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 2003. - №2. - с. 56-63. - Виконано аналіз методів управління трафіком ABR «rate - based».

17. Зайченко Е.Ю. Структурный синтез развивающихся систем. // Системні дослідження та інформаційні технології. - 2002. - №4. - с. 97-105.

18. Зайченко Е.Ю., Зайченко Ю.П. Задача о нахождении максимального потока в сетях АТМ и метод ее решения. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: обчислювальна техніка та автоматизація. - Вип.48, Донецьк. - 2002. - с. 353-359. - Автором запропоновано алгоритм знаходження максимального потоку.

19. Зайченко Е.Ю. Анализ и оптимизация показателей живучести компьютерных сетей с технологией АТМ. // Системні дослідження та інформаційні технології. - 2003. - №1. - с. 121-134.

20. Зайченко Е.Ю. Анализ и синтез сетей с технологией АТМ. // Системні дослідження та інформаційні технології. - 2003. - №4.-с. 93-112.

22. Зайченко О.Ю. Експериментальні дослідження методу оцінки показників живучості комп'ютерних мереж з технологією АТМ. // Вісник національного технічного університету України «КПІ», сер. Інформатика, управління та обчислювальна техніка. Вип..41. - 2004, с. 165-177

23. Зайченко О.Ю. Оптимізація характеристик комп'ютерних мереж з технологією АТМ в умовах невизначеності та ризику. // Вісник національного технічного університету України «КПІ», сер. Інформатика, управління та обчислювальна техніка. Вип..42. - 2004, с. 101-108.

24. Зайченко Е.Ю. Анализ и оптимизация структуры глобальных вычислительных сетей при ограничениях на показатели живучести. // Праці п'ятої української конференції з автоматичного управління «Автоматика-98», част. 2;.-Київ-1998.-с. 105 - 110.

25. Зайченко О.Ю. Оптимальний вибір пропускної здатності каналів зв'язку в мережах АТМ. // Матеріали міжнародної конференції з управління «Автоматика-2000»., Львів-2000. т. 7.-с. 28-32.

26. Зайченко Е.Ю. Структурный синтез глобальных сетей с технологией АТМ по заданным показателям качества обслуживания. // Матеріали Міжнародної конференції з управління «Автоматика -2001». Одесса, 2001. Том 2.-с. 95.

27. Зайченко Ю.П., Зайченко О.Ю., Вишталь Д.М., Хотячук Р.Ф. Оптимизация структуры корпоративных вычислительных сетей. // Матеріали міжнародної конференції з управління «Автоматика -2001». Одесса, 2001. Том 2.-с. 96. - Розроблено постановку задачі та алгоритм синтезу структури мережі з комутаторами.

28. Зайченко О.Ю. Динамічні задачі структурного синтезу мереж, що розвиваються. // Тези доповідей учасників міжнародної конференції «Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технологі» ї. - Чернівці, 2004. - с. 203.

29. Зайченко Е.Ю. Структурный синтез компьютерных сетей с технологией АТМ. // Матеріали 11-ої міжнародної конференції зпо автоматичному управлінню. - Том 4. - Киів, 2004. - с. 44.

30. Zaychenko Y., Zaychenko H., The models and methods of surviveabilty analysis and structural synthesis of regional computer networks. //Proc. of Intern. conference on Information Networks and Systems. ICINAS-96. St. Petersburg, 1996.-pp. 112 - 123 - Автором запропоновано метод аналізу живучості регіональних мереж та проведено його дослідження

Размещено на Allbest.ru