Метод та способи підвищення ефективності управління телекомунікаційними мережами

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Спеціальність 05.12.02 -телекомунікаційні системи та мережі

УДК 621.39(043.3)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МЕТОД ТА СПОСОБИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ УПРАВЛІННЯ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИМИ МЕРЕЖАМИ

БОГДАНОВА НАТАЛІЯ

ВОЛОДИМИРІВНА

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Відкритому міжнародному університету розвитку людини «Україна»

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Забара Станіслав Сергійович, Відкритий міжнародний університет розвитку людини «Україна», декан факультету комп'ютерних технологій

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Глоба Лариса Сергіївна, Інститут телекомунікаційних систем Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», завідувач кафедри інформаційно-телекомунікаційних мереж кандидат технічних наук, доцент Дробик Олександр Васильович, Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, проректор з наукової роботи

Захист відбудеться 21.11.2008 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.861.01 при Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, м. Київ, вул. Солом'янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, м. Київ, вул. Солом'янська, 7.

Автореферат розісланий 19.10.2008 року

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічний наук, доцент Н.І. Кунах

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розширення сфери використання телекомунікаційних мережах, що об'єднують між собою комп'ютерні мережі різного типу на основі загального стека транспортних протоколів, наприклад, TCP/IP. Інфраструктура подібної телекомунікаційної мережі характеризується значною складністю як за своєю організацією, так і за способом керування.

Глобалізація та інші сучасні тенденції розвитку телекомунікаційних мереж призвели не лише до значного переносу основних телекомунікаційних концепцій, але й до значних технологічних зсувів, а саме: від мовного трафіку до трафіку даних та мультемедійного трафіку, від спеціалізованих до глобальних телекомунікаційних мереж нового покоління, від локальних спеціалізованих послуг до мультимедійних універсальних послуг та додатків з гарантованою якістю в будь-який час в будь-якому місці.

Значне зростання трафіка реального часу та його гетерогенний (мультимедійний) характер викликають конфлікти та перевантаження мережі, блокуючи нормальну роботу телекомунікаційних мереж. Бурхливий розвиток нових видів послуг різко підвищило вимоги до якості обслуговування.

Сучасні системи телекомунікацій характеризуються динамічно змінним навантаженням. У зв'язку із цим виникає необхідність у розробці й аналізі нових інтелектуальних технологій у керуванні мережною інфраструктурою, які гарантують задану якість обслуговування при мінімальних витратах мережних ресурсів.

Ефективність обслуговування телекомунікаційних мереж у значній мірі залежить від швидкості передачі інформації та рівня їхньої інтелектуалізації. У теперішній час рішенню проблеми підвищення ефективності функціонування комп'ютерних мереж приділяється велика увага. При цьому в роботах Л. Клейнрока, М. Шварца, В. Вінницького, Ю. Зайченка й ін. використовувалися математичні методи й моделі, орієнтовані в основному на незалежні стаціонарні пуассоновські потоки. Застосування різних способів керування трафіком позначається на його характері, що стає фрактальним. Проблемі фрактальності в сучасних комп'ютерних мережах присвячено ряд наукових праць, серед яких, варто виділити роботи В. Столлінгса, В. Заболотского, А. Городецького. При цьому залишається невирішеним завдання організації ефективного управління телекомунікаційної мережі при різнорідному, багатопріорітетному трафіку.

Виниклі проблеми призвели до необхідності створення нових математичних моделей, алгоритмів маршрутизації та протоколів, які зможуть забезпечити рішення наступних задач: розробка маштабування системи адресації, оптимізація процесів маршрутизації потоків даних, забезпечення гарантованої якості обслуговування, підтримка та реалізація мобільних послуг в Інтернет.

У зв'язку із цим, питання, розглянуті в рамках даної дисертаційної роботи, пов'язані з методом й способами підвищення ефективності управління телекомунікаційними мережами за рахунок оптимізації процедури керування трафіком, є актуальними і представляють певний науковий і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В дисертаційній роботі відображено результати експериментальних і теоретичних досліджень, отриманих впродовж 2006-2008 років при виконанні завдання Міністерства освіти і науки України № 2973-n «Дослідження багатокритеріальної оптимізації балансування інформаційного навантаження по зонах безпеки при структуризації корпоративного центру даних» (номер держреєстрації НДР 0106U002475).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності управління телекомунікаційними мережами за рахунок вдосконалення метода та способів управління трафіком.

Поставлена мета досягається розв'язанням таких основних задач дослідження:

1. Аналіз та дослідження відомих методів управління телекомунікаційними мережами з метою виявлення факторів, які суттєво впливають на якість обслуговування та розробка способу управління мережними процесами із широким діапазоном зміни навантаження.

2. Розробка методики оцінки основних часових параметрів передачі даних у телекомунікаційних мережах, що в максимальному ступені враховували б характер самоподібного мережевого трафіку.

3. Розробка та дослідження способу забезпечення якості обслуговування в телекомунікаційних мережах із широким діапазоном зміни навантаження на основі використання динамічної системи пріоритетів.

4. Розробка способу розподілу трафіку на граничних вузлах мережі MPLS який дозволяє підвищити ефективність мережі за рахунок більш рівномірного завантаження.

5. Розробка та дослідження інтелектуального способу управління телекомунікаційними мережами з динамічно змінним навантаженням мережі, які здатні забезпечити оптимальні режими роботи та гарантувати необхідну якість обслуговування при мінімальних витратах мережних ресурсів.

Об'єктом дослідження є процес управління телекомунікаційними мережами з широким діапазоном зміни навантаження та заданими вимогами до якості обслуговування.

Предметом дослідження є метод та способи управління трафіком телекомунікаційної мережі, що забезпечує потрібний рівень якості передачі інформації

Методи дослідження. За допомогою методів теорії масового обслуговування досліджувався вплив інтенсивності і характеру трафіку на час затримки пакетів у вузлах комутації та між мережними вузлами телекомунікаційної мережі. Оцінка ефективності управління трафіком, алгоритмів маршрутизації та керування віртуальним з'єднанням проводилася за допомогою імітаційного моделювання. Аналіз способів формування віртуальних з'єднань базується на використанні основних положень системного аналізу і загальної теорії систем.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

1. Запропоновано та обґрунтовано метод підвищення ефективності управління телекомунікаційними мережами за рахунок обліку фрактального характеру мережевого трафіку.

2. Вдосконалено метод прогнозування мережевим трафіком, який за рахунок обліку властивостей фрактальності дозволяє підвищити ефективність управління мережними процесами та забезпечує необхідний рівень якості обслуговування користувача.

3. Запропоновано та обґрунтовано математичні моделі для розрахунку основних часових параметрів маршрутизаторів телекомунікаційних мереж, які з урахуванням фрактального характер трафіку дозволяють більш точно визначити час затримки передачі даних і розмір буферу, необхідного для передачі інформації без втрат пакетів.

4. Розроблено та досліджено спосіб управління телекомунікаційними мережами, який за рахунок обліку фрактальних процесів та з використанням гнучкої динамічної системи пріоритетів дозволяє скоротити час передачі інформації.

5. Розроблено спосіб розподілу трафіку на граничних вузлах мережі MPLS, який за рахунок введення додаткових параметрів у таблицю маршрутизації дозволяє зменшити час затримки інформації в телекомунікаційних мережах.

Практична цінність отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи полягають у тому, що:

1. Запропонований спосіб інтелектуального керування дозволяє у середньому на 10-20% підвищити ефективність управління телекомунікаційною мережею при зміні конфігурації мережі, власно при переміщенні абонентських систем.

2. Запропонований спосіб та алгоритм розподілу потоків пакетів для телекомунікаційної мережі дозволяють скоротити час формування маршрутів до 30% на граничних вузлах мережі MPLS за рахунок обліку додаткових параметрів, добавлених до таблиці комутації.

3. Запропоновані математичні моделі та алгоритми можуть бути використані при розробці нових або модифікації існуючих способів управління розподіленими системами, а також алгоритмів управління трафіком маршрутизації.

Результати роботи були використані та впроваджені при розробці корпоративних стандартів, зокрема «Послуги комутованого ІР-доступу ВАТ «Укртелеком», «Обладнання та мережі ІР-доступу. Експлуатаційні норми та правила. Стандарт підприємства (шифр КСТ 2.0.000-2007 р.)» у ДНДІАСБ Держбуду України в період з 2006-2008 рр., та КМФ ВАТ «Укртелеком» у рамках науково-технічної роботи по створенню системи моніторингу та контролю якості надання послуг VPN/MPLS в період 2007-2008 рр.

Дані про впровадження результатів підтверджуються відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. За результатами наукових досліджень опубліковано 7 наукових статей, з них 1 стаття самостійна [2]. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить: [1] - спосіб підвищення ефективності управління телекомунікаційними мережами; [3] - метод розрахунку часових параметрів у телекомунікаційній мережі; [4] - алгоритм управління трафіком по віртуальному шляху; [5] - спосіб управління трафіком з урахуванням самоподоби; [6] - спосіб управління трафіком у телекомунікаційній мережі MPLS за допомогою модифікованої таблиці; [7] - алгоритм керування записами модифікованої таблиці в мережі MPLS.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на: восьмій міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні інформаційні технології» (Одеса, Україна, 21-25 травня 2007р.), міжнародній науково-технічній конференції «Комп'ютерні системи й мережні технології» (Київ, Україна, 17-19 березня 2008 р.), восьмій міжнародній науковій конференції молодих учених, аспірантів і студентів «Політ-2008» (Київ, Україна, 10-11 квітня 2008р.), дев'ятій міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні інформаційні технології» (Одеса, Україна, 19-23 травня 2008р.)

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 7 статтях фахових видань та 3 тезах доповідей на конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 170 сторінок, робота містить 4 таблиці, 54 рисунка та список літератури з 126 найменувань. У додатках містяться 2 акти впровадження результатів дисертаційного дослідження.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета й задачі досліджень, наведено характеристику отриманих теоретичних та практичних результатів, показано особистий внесок здобувача. Вказано, де відбувалась апробація роботи та дана загальна характеристика публікацій.

У першому розділі визначено область й об'єкт дослідження, в якості якого розглядаються телекомунікаційні мережі з широким діапазоном зміни навантаження та заданими вимогами до якості обслуговування. Проведено аналіз відомих методів забезпечення якості обслуговування в сучасних мережах, який показав, що підвищення якості обслуговування в телекомунікаційних мережах значною мірою залежить від рішення ряду взаємозалежних завдань розробки та впровадження інтелектуального методу керування мережею, методів та алгоритмів управління трафіком. Виявлено, що заданий рівень якості обслуговування досягається підтримкою певної смуги пропускання, скороченням імовірності втрати кадрів, виключенням або керованістю мережними перевантаженнями, можливістю конфігурування мережного трафіка.

На основі аналізу, виявлені основні причини ефективності функціонування систем управління, які залежать від алгоритмів управління ресурсами, за допомогою яких можливо спрогнозувати майбутній стан мережі. У силу розподіленості й стохастичного характеру зв'язків між мережними компонентами система керування повинна мати структурну стійкість або, інакше кажучи, забезпечувати плавну зміну своїх функціональних можливостей у випадку втрати координуючих впливів або порушенні роботи окремих підсистем, пов'язаних з можливою реконфігурацією топології мережі. Тому системи інтелектуального керування можуть стати основою для побудови нового покоління інформаційних додатків, функціонування яких здійснюється за допомогою взаємодії великого числа автономних мережних компонентів. Використання концепції мережних компонентів (агентів) додає в механізм керування принципово нові можливості впливу на стан мережного об'єкта. При цьому такий мережний компонент може одержувати оперативні дані про стан об'єкта керування, а також різні координуючі впливи, що забезпечують узгодженість цілей керування.

Провівши аналіз мережних технологій (RSVP, RTP, MPLS), що підтримують необхідну якість обслуговування (QoS), виділена технологія MPLS. Дана технологія надає нові можливості при вирішенні найбільш важливих задач: підтримці QoS з орієнтацією на з'єднання; конструюванні трафіку (динамічно вибирає маршрут, планує ресурси на основі відомих вимог і оптимізує використання мережі); віртуальних приватних мереж (надає ефективний механізм підтримки віртуальних приватних мереж).

В роботі [2] на основі технології MPLS запропоновано спосіб підвищення ефективності системи управління телекомунікаційними мережами, який дозволяє вирішити вище описані завдання мережної взаємодії за рахунок інтегрованих способів управління інформаційними та телекомунікаційними ресурсами мережі. Метою такої інтеграції є створення інтелектуальної інформаційної інфраструктури управління телекомунікаційною мережею.

Проведений в дисертаційній роботі аналіз відомих методів дозволив стверджувати, що відомі математичні моделі не дозволяють в достатній мірі адекватно описувати процеси, що відбуваються у сучасних телекомунікаційних мережах, в зв'язку з цим виникає необхідність в розробці та аналізі математичних моделей з урахуванням фрактальності трафіку. Технологія MPLS найбільш відповідає вимогам для побудови телекомунікаційної мережі, але припускає перенесення основних функцій по визначеному шляху проходження пакета через мережу на граничні маршрутизатори, що ускладнює її реалізацію та призводить до необхідності створювання більш адаптивної маршрутизації. Підвищення ефективності в технології MPLS відбувається за рахунок вдосконалення процесу розділу трафіка на граничних вузлах та з використанням нових математичних моделей, при цьому виникає необхідність в експериментальному дослідженні та порівняльному аналізі їх ефективності з існуючими методами.

Розглянуті підходи до формування систем керування мережними процесами і об'єктами дозволяють сформувати актуальні проблеми, які необхідно вирішити для створення нового покоління телекомунікаційних мереж. Ці проблеми, насамперед, пов'язані із задачами розробки нових моделей та способів керування мережними процесами, які будуть враховувати властивості телекомунікаційних мереж з динамічно змінним навантаженням в мережі.

В другому розділі з метою виявлення залежностей впливу затримок пакетів від навантаження мережі були розроблені математичні моделі розрахунку параметрів вузлів маршрутизації в сучасних телекомунікаційних мережах, які враховують властивості фрактальності трафіку.

У роботі [3] проведено аналіз розрахунків для визначення значень середнього часу очікування в випадку безпріоритетного та пріоритетного потоків, для систем з постійним часом обслуговування (M/D/1) та експоненційним розподілом тривалості обслуговування (М/М/1) який показав, що при значенні параметра Херста, який дорівнює 0,5 розрахунки спрощуються до класичного результату систем масового обслуговування класів (М/М/1) та (M/D/1). При значенні параметра Херста більше 0,5 трафік приймає виражений самоподібний характер (значення параметра Херста лежить у межах залежно від навантаження в мережі), це підтверджується проведеними експериментальними дослідженнями.

На основі вище викладеного в дисертаційній роботі був запропонований метод розрахунку середнього часу затримки, який дозволяє більш точно визначати об'єм буферної пам'яті для передачі пакетів без втрат, та спрогнозувати характер поведінки трафіку при зміні завантаження мережі.

У даній роботі розроблена та проаналізована математична модель залежності середнього часу очікування обслуговування для k-го класу трафіку заявок від інтенсивності трафіку для випадків обслуговування поступаючих пакетів з різними пріоритетами:

,

де E(T0) - середнє значення часу обслуговування поточної заявки,

E(Tочі) - середній часу очікування заявки і-го класу,

Ck ,Сі - k-го та і-го класів,

i - інтенсивність потоку i-го трафіку,

визначається як .

Аналіз даного способу показав, що за рахунок використання гнучкої динамічної системи пріоритетів можна скоротити час передачі даних і, таким чином, підвищити якість обслуговування в телекомунікаційній мережі. Результати підтверджується експериментальним шляхом на отриманій моделі.

В дисертаційній роботі був запропонований ще один спосіб підвищення ефективності управління телекомунікаційними мережами за рахунок зменшення часу затримки передачі інформації у чарунках, та з урахуванням властивостей самоподоби.

Оцінка прогнозу RTT-затримки приймає вигляд [5]:

,

де - оптимальна оцінка прогнозу RTT для моменту часу tn+1,

RTT- інтервал між відправленням пакета й одержанням підтвердження,

- мінімальний тридцятирічний інтервал часу без черги,

- середнє збільшення RTT затримки.

Прогнозована оцінка Xn+1 визначається по останньому результату вимірів у відповідності із формулою оцінки прогнозу звіту:

,

де - інтенсивність надходження пакетів,

k - параметр зміщення,

Хn -число відліків,

- оптимальне значення оцінки прогнозу відліку,

r(k;T) - коефіцієнт кореляції.

Якщо величина прогнозу виявляється більше порогу, що залежить від рівня завантаження буфера й обумовленого деяким адаптивним алгоритмом, то по сигналу зворотнього зв'язку інтенсивність генерації інформації з вузла i зменшується на величину, що залежить від рівня завантаження буфера і значень оцінок прогнозу. Хоча пропускна здатність через це на ділянці мережі і знижується, але у зв'язку зі збереженням процесу передачі інформації і зменшенням числа загублених пакетів вдається в середньому зменшити втрати пропускної здатності цього з'єднання. Якщо необхідно зберегти пропускну здатність, то по сигналу зворотнього зв'язку доступні мережні ресурси перерозподіляються на користь цієї ділянки віртуального з'єднання мережі.

Запропонований спосіб дозволяє підвищити якість обслуговування мережевими процесами.

Таким чином, в даному розділі були запропоновані метод та способи підвищення ефективності управління телекомунікаційними мережами з урахуванням властивостей фрактальних процесів, що в них відбуваються.

У третьому розділі на основі запропонованого метода та розроблених способів, запропоновані схеми та алгоритми управління трафіком в телекомунікаційних мережах [4].

З метою оптимізації передачі даних запропоновано схему алгоритму регулювання трафіка, який за рахунок запропонованого метода прогнозування стану мережі, дозволяє значно знизити імовірність перевантажень у мережі.

За основу даного алгоритму взято стандартний алгоритм EPRCA, в який додатково були введені два граничних значення CTDw1 та CTDw2 сутність яких заклечається у наступному:

При CTDCTDw1, поточний комутатор генерує і відправляє попередньому комутатору на маршруті чарунку RM із установленим прапорцем W1 і поточним значенням CTD. Слід зазначити, що тут мається на увазі загальний час затримки доставки, однак граничні значення CTD (або CDV) досягаються на певному комутаторі при його надмірній завантаженості або неможливості передати дані певного з'єднання через відмови мережі. Тому варто зробити спробу «розвантажити» цей комутатор або вибрати альтернативний маршрут для його обходу.

При одержанні W1, комутатор намагається визначити альтернативний маршрут доставки, використовуючи тільки свої зв'язки, але за винятком двох - того, котрий йде до перевантаженого комутатора і вхідного зв'язку для даного маршруту. Альтернативний маршрут повинен задовольняти умові: , де - параметр, що враховує тимчасові витрати на установку нового з'єднання, відновлення вмісту маршрутних таблиць і фактор ризику, необхідний для запобігання нових перевантажень.

1. Якщо такий маршрут знайдений, то виконується перестановка з'єднання і всі супутні їй дії, щоб «перенести» перевантажене з'єднання на новий маршрут. Якщо маршрут не знайдений, то W1 ігнорується.

2. При CTDCTDw2, поточний комутатор генерує і відправляє попередньому комутатору на маршруті чарунку RM із установленим прапорцем W2 і поточним значенням CTD. W2 сигналізує про перевантаження, що близьке до критичного.

3. При одержанні W2, комутатор виконує дії аналогічні пункту 3. Однак якщо необхідний маршрут не може бути знайдений засобами даного комутатора, то чарунка з W2 передається попередньому комутатору з погляду перевантаженого маршруту, аж до джерела. Джерело при цьому може реагувати на одержання попереджуючих чарунок як зміною швидкості передачі (її зниженням), так і вибором альтернативних маршрутів.

4. Перераховані вище пункти алгоритму виконуються тільки для трафіка з гарантованою якістю обслуговування. Для трафіка «кращої спроби» передається тільки чарунка W2, і передається вона по ланцюжку комутаторів до джерела з вимогою понизити інтенсивність передачі.

5. Джерела трафіку ABR і UBR можуть також спробувати змінити маршрут, однак таке рішення повинне прийматися на рівні самих джерел і підтримуватися мережею.

Дослідження розподілу імовірностей виникнення додаткової затримки класичної та модифікованої схем показали, що для ефективної роботи потрібно забезпечити «справедливу» дисципліну обслуговування, щоб мати гарантію того, що збільшення СТD для певного напрямку пов'язано з загальним перевантаженням комутатора, а не з дискримінацією через присутність більш пріоритетного трафіка в мережі.

З метою підвищення ефективності управління в телекомунікаційних мережах в роботі запропоновано алгоритм оптимального розбиття трафіка на декілька частин. Математична постановка і розв'язок такої задачі представлені в дисертаційній роботі. Дана задача розглядалася в рамках технологій MPLS, яка на сьогоднішній час широко використовується. На основі проведених досліджень в роботі [6] показано, що за рахунок модифікації таблиці маршрутизації можна підвищити ефективність процедури розподілу трафіку. Для вирішення цієї проблеми до полів таблиці комутації, де окрім стандартних полів IP-адреси відправника й одержувача, адреси портів, вихідної мітки й вихідного інтерфейсу, що визначає LSP, у таблиці були додатково добавлені поля:

- значення типу протоколу (TCP, UDP);

- лічильник байт даного потоку за деякий проміжок часу (Дt);

- початкове значення hash-функції, що береться від полів IP-пакета, однакових для одного TCP-потоку.

Такий спосіб підтримує архітектуру інтегрованих служб та сприяє скороченню часу формування маршрутів за рахунок скорочення часу звертання до стеку міток у телекомунікаційних мережах. Дані твердження перевірені експериментальними дослідженнями, приведеними у четвертому розділу.

У четвертому розділі проведено аналіз ефективності розроблених способів. На рисунку (1, 2) приведені графіки залежностей часу затримки від завантаження для систем обслуговування М/М/1, М/Д/1 при різних значеннях параметра Херста. Виявлено, що для системи обслуговування М/Д/1 характер трафіка суттєво впливає на час затримки інформації у вузлах комутації порівняно із системою обслуговування М/М/1.

Графіки залежностей затримок потоків різних пріоритетів (рис. 3) показали, що на час затримки передачі по пріоритетному каналу впливає значення інтенсивності беспріорітетного потоку. Це пояснюється тим, що використання системи з відносним пріоритетом обслуговування більш пріоритетної заявки починається тільки після завершення обслуговування поточної заявки незалежно від пріоритету. При цьому слід зазначити, що час очікування E(W)1 при більшому значенні інтенсивності 1 росте швидше в порівнянні з меншим початковим значенням інтенсивності. Це пояснюється тим, що в даному випадку загальне навантаження так само більше. При певних значеннях інтенсивностей потік менш пріоритетних заявок характеризується меншим значенням, ніж у беспріоритетній системі, а зі збільшенням навантаження - навпаки.

Це значить, що, змінюючи рівень пріоритету в певних межах залежно від навантаження мережі і значення параметра Херста, можна оптимізувати розподіл потоків і підвищити якість обслуговування в телекомунікаційній мережі. навантаження телекомунікаційний мережа трафік

Дослідження математичної моделі системи з динамічними пріоритетами потоків показали, що середній час очікування обслуговування зменшується для пакетів більш пріоритетних протоколів, зменшується різниця середніх часів очікування при збільшенні відношення приорітетів трафіку з різними класами заявок. Таким чином, динамічна система є більш гнучкою та дозволяє підвищити якість обслуговування в телекомунікаційних системах.

Розроблено імітаційну модель функціонування модифікованої схеми алгоритму [5]. Результати моделювання (рис. 4) показують, що можливі випадки, коли найбільш імовірний час затримки при роботі модифікованої схеми буде менший ніж фіксований мінімальний час передачі для класичної схеми. При високому рівні завантаження мережі час затримки буде наближатися до затримок у класичній схемі. Це пояснюється тим, що при високих завантаженнях запропонована система керування трафіком буде змушена зменшувати швидкості передачі деяких джерел, для яких ці швидкості були збільшені, що підвищує непродуктивні витрати. Однак, як показує моделювання, при правильному виборі параметрів модифікована схема працює більш ефективно, ніж класична.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. Імовірність часу затримок у схемах

Класична схема у порівнянні з модифікованою менш ефективно використовує смугу пропускання за рахунок того, що при великій завантаженості мережі залишається нерозподілена пропускна здатність, величина якої недостатня для установки нових з'єднань. У модифікованій схемі ця пропускна здатність передається тим з'єднанням, які можуть одержати деяку вигоду від передачі свого трафіку з більш високою швидкістю.

На основі вищезгаданих досліджень побудовано блок-схеми алгоритмів керування записами модифікованої таблиці відповідності FEC і шляхів LSP для розподілу навантаження між шляхами [7].

Для перевірки працездатності запропонованого способу, і реалізованого на його основі алгоритму, та порівняння його зі стандартними, було проведено імітаційне моделювання за допомогою системи OPNET.

Виходячи з результатів моделювання, можна зробити висновок, що запропонований алгоритм дозволяє розподіляти трафік більш ефективно, ніж статичне настроювання шляхів LSP. У порівнянні ж із традиційною IP-маршрутизацією (де трафік передається по одному найкращому шляху), навіть статичний розподіл потоків дозволяє одержати більш оптимальне завантаження каналів.

Рис. Імітаційне моделювання

Підхід прийнятий в дисертаційній роботі при досліджені ефективності управління телекомунікаційними мережами був використаний для дослідження ефективності в мережі з мобільними агентами.

В роботі [1] був запропонований алгоритм оптимальної маршрутизації, який робить ремаршрутизацію на основі схем віртуальних каналів, створюючи загальний шлях для одного з'єднання до всіх можливих зон handoff-кандидатам. Моделювання проводилося для топології мережі з різним процентним співвідношенням загального шляху до всіх шляхів проходження пакетів, застосовуючи алгоритм оптимізації.

Аналіз математичних залежностей отриманих в дисертаційній роботі показав, що у випадку, коли загальний шлях становить малу частину всього маршруту (10-20%), даний алгоритм показує такий самий результат як алгоритм роботи маршрутизаторів у мережах Інтернет. Це пояснюється тим, що використовується той самий принцип, заснований на алгоритмі Дейкстра для вибору найкоротшого шляху.

Але у випадку, коли загальний шлях становить 90% (рис. 6), запропонований алгоритм робить ремаршрутизацію на основі схем віртуальних каналів, створюючи загальний шлях для одного з'єднання по всіх можливих зонах handoff-кандидатам і здійснює швидку ре маршрутизацію, тим самим зменшуючи затримку передачі пакетів під час зміни зони покриття, що до 20% дозволяє підвищувати ефективність функціонування.

Даний алгоритм добре використовувати в мережах з високими вимогами до якості обслуговування. У першу чергу це відноситься до тих мереж, у яких активно підтримують сервіс передачі голосової і мультимеждійної інформації в реальному часі. Наприклад, мережі багатоадресного віщання, що використовуються для передачі в реальному часі звуку і відео для новин, розваг і дистанційного навчання.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено теоретичні обґрунтування і запропоновано новий підхід до вирішення наукові проблеми - підвищення ефективності управління телекомунікаційними мережами за рахунок більш точного прогнозування поводження роботи мережі при фрактальному трафіку.

Розв'язання цієї задачі досягається завдяки застосуванню основних положень системного аналізу та загальної теорії систем, які використовуються при вирішенні завдання формування гнучкої динамічної системи пріоритетів трафіку телекомунікаційною мережею. У практичному плані використання отриманих результатів дозволяє підвищити ефективність управління телекомунікаційної мережі за рахунок більш точного прогнозування роботи трафіку, а саме, визначення часу затримки передачі даних, розміру необхідного буфера для передачі інформації без втрат пакетів та ефективного алгоритму розподілення потоків пакетів на граничному вузлі.

У роботі отримано наступні результати:

1. Виявлені основні фактори та ступінь їх впливу на якість обслуговування.

2. Удосконалено метод прогнозування мереженого трафіку, який враховує принцип фрактальності і на основі використання параметра Херста сприяє підвищенню ефективності управління мережними процесами та забезпечує необхідний рівень якості обслуговування користувача.

3. Розроблено та досліджено математичні моделі для розрахунку основних часових параметрів маршрутизаторів мережі, які, враховуючи фрактальний характер трафіку дозволяють визначати час затримки передачі даних і розмір буферу необхідного для передачі інформації без втрат якості обслуговування.

4. Запропоновано та обґрунтовано спосіб керування телекомунікаційними мережами, який на основі використання динамічної системи пріоритетів обслуговування потоку в телекомунікаційних вузлах, дозволяє забезпечити необхідну якість обслуговування інформаційних потоків із широким діапазоном зміни трафіку.

5. Розроблено та досліджено спосіб розподілу трафіку на граничних вузлах мережі MPLS, який за рахунок обліку додаткових параметрів дозволяє до 30% зменшити час передачі інформації.

6. Запропоновано, досліджено та обґрунтовано спосіб формування віртуальних каналів, який забезпечує мінімальний час ремаршрутизації на 10%-20% у порівнянні з базовим при зміні конфігурації мережі, власне при переміщенні абонентських систем.

7. З практичної точки зору, отримані в дисертаційній роботі результати дозволяють на 15-20% підвищити ефективність управління телекомунікаційними мережами за рахунок властивостей фрактальності трафіку та використання динамічної системи приорітета.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Артеменко В.А. Способ повышения эффективности мобильных телекоммуникационных сетей / В.А. Артеменко, Н.В. Богданова // Інформатика, управління та обчислювальна техніка. Вісник НТУУ «КПІ». - 2006. - №45. - С.127-134.

2. Богданова Н.В. Способ повышения эффективности системы управления теллекоммуникационными сетями / Н.В. Богданова // Адаптивні системи автоматичного управління. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. - 2006. - №.9(29). - С. 23-32.

3. Богданова Н.В. Анализ временных параметров телекоммуникационных сетей при самоподобном трафике / Н.В. Богданова, Мухамед Ель Амин Бабикер. // Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. - 2007. - №1(48). - С. 101-111.

4. Артеменко В.А. Методы управления трафиком по виртуальному пути / В.А. Артеменко, Н.В. Богданова, Н.К. Печурин // Адаптивні системи автоматичного управління. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. - 2007. - №11(31) - С.16-24.

5. Артеменко В.А. Управления трафиком с учетом его самоподобия / В.А. Артеменко, Н.В. Богданова // Інформатика, управління та обчислювальна техніка. Вісник НТУУ «КПІ». - 2007. - №47. - С.105-112.

6. Артеменко В.А. Способ повышения эффективности в передачи информации в телекоммуникационных сетях. / В.А. Артеменко, Н.В. Богданова // Проблеми інформатизації та управління. НАУ. - 2008. - №1(23). - С.30-36.

7. Богданова Н.В. Спосіб розділення трафіку на граничних вузлах мережі MPLS / Н.В. Богданова, С.С. Забара, // Адаптивні системи автоматичного управління. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. - 2008. - №12(32) - С.3-12.

8. Артеменко В.А. Управление трафиком в интегрированной телекоммуникационной сети / В.А. Артеменко, Н.В. Богданова // Современные информационные и электронные технологии : междунар. научно.-техн. конф., 21-25 трав. 2007 р.: тези докл. - Х., 2007. - С. 118.

9. Богданова Н.В. Способ повышения эффективности в передачи информации в телекоммуникационных сетях / Н.В. Богданова // ПОЛІТ: междунар. научно.-техн. конф. студ. та молод. учен., 10-11 апр. 2008 г.: тезисы докл. - Х., 2008. - Т. 3. - С.20.

10. Артеменко В.А. Стохастическая модель задержек блоков данных в межсетевых узлах телекоммуникационной сети / В.А. Артеменко, Н.В. Богданова // Современные информационные и электронные технологии : междунар. научно.-техн. конф., 19-23 мая. 2008 г.: тезисы докл. - Х., 2008. - Т. 1. - С. 101.

АНОТАЦІЯ

Богданова Н. В. Метод та способи підвищення ефективності управління телекомунікаційними мережами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. - Відкритий міжнародний університет розвитку людини «Україна», Київ, 2008.

Вдосконалений метод управління телекомунікаційними мережами дозволяє за рахунок більш точного прогнозування трафіку підвищити якість обслуговування управління мережними процесами. Для більш точного виявлення часу затримки передачі даних та розміру буфера, необхідного для передачі інформації без втрат пакетів, розроблені математичні моделі, які враховують фрактальний характер трафіку. За рахунок використання динамічної системи пріоритетів удосконалений спосіб забезпечення якості обслуговування в мережах. Запропонований спосіб розділення потоків пакетів на граничному вузлі мережі MPLS підтримує архітектуру інтегрованих служб та забезпечує мінімальний час формування маршрутів передачі інформації за рахунок вибору оптимальної маршрутизації.

Ключові слова: телекомунікаційні системи, якість обслуговування, пріоритетні пакети, фрактальні процеси.

Богданова Н.В. Метод и способы повышения эффективности управления телекоммуникационными сетями. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02-телекоммуникационные системы и сети.-Открытый международный университет развития человека «Украина», Киев, 2008.

В диссертации решены задачи повышения эффективности управления телекоммуникационными сетями (ТС).

Проанализированы способы управления передачи данных, определены основные проблемы, связанные с обеспечением эффективности в сетях - это маршрутизация, топология, перераспределение сетевых ресурсов.

Для управления ТС предложено использовать мультиагентную систему управления, которая в максимальной степени отражала бы структуру построения интегральной системы управления сетью.

В связи с тем, что метод пуассоновского распределения в современных телекоммуникационных сетях не актуален, предложено применить метод самоподобия.

Результаты моделирования показали, что для системы обслуживания М/D/1 характер трафика оказывает меньше влияния на время задержки информации в узлах коммутации по сравнению с системой обслуживания М/М/1. Это значит, что для больших значениях параметра Херста (при долгосрочной зависимости высокой степени) потребность в буфере возрастает.

Составлена математическая модель процессов происходящих в телекоммуникационной сети с учетом фрактальных процессов. Приведены графики, которые позволяют определить зависимость задержки от загрузки в сети для различных систем обслуживания, на основе которых и осуществляется регулирования трафиком.

Разработан способ эффективности использования различных методов доступа на примере оценки задержки передачи при различных потоках и загрузках с учетом самоподобия. Результаты исследований показали, что таким образом можно точно спрогнозировать характер поведения трафика при изменениях нагрузки сети. Представлены исследования математической модели системы с динамическими приоритетами потоков. Динамическая система является более гибкой и позволяет повысить качество обслуживания в сети.

Предложен способ управления трафиком, который за счет более точного учета характера трафика позволяет повысить эффективность, в частности, сократить время задержки передачи информации.

Эффективное функционирования сети, в частности, обеспечения качества обслуживания, в значительной мере зависит от задачи распределения трафика. В работе представлены известные алгоритмы распределения трафика и определены их преимущества и недостатки. Составлены основные требования, которым должен отвечать алгоритм распределения трафика. Выявлено, что задачи эффективности функционирования и разделения трафика на несколько частей связана с решением задачи оптимального разбиения трафика. Составлена блок-схема разделения трафика в коммутаторах. На основании этого разработаны алгоритмы разделения трафиком. В настоящее время для передачи информации с обеспечением требуемого уровня качества обслуживания широко используется технология MPLS. В связи с этим в рамках работы проведено исследования возможности эффективного решения задачи разделения трафика в сети MPLS. Для решения этой задачи была модифицирована таблица коммутации. С учетом этого была разработана модель перехода между состояниями при формировании путей маршрутизации. С помощью имитационного моделирования сделана проверка работоспособности предложенного метода. Имитационное моделирование производилось с помощью программы Opnet.

Результаты моделирования показали, что распределение потоков в сети MPLS позволяет повысить эффективность по сравнения со стандартной маршрутизацией IP-TCP, но при этом достичь равномерной загрузки не удается. Предложенный алгоритм позволяет существенным образом обеспечить равномерную нагрузку в сети, и тем самым сократить время формирования маршрутов до 30%.

Особую актуальность приобретает способ повышения эффективности в сетях с изменяющейся топологией. В рамках работы разработан алгоритм формирования пути, который при перемещении абонентов сокращает время ремаршрутизации на 10-20% по сравнению с базовым способом.

Ключевые слова: телекоммуникационная сеть, качество обслуживания, приоритетные пакеты, фрактальные процессы.

Bogdanova N.V. Method and ways of increasing efficiency management of telecommunication networks. - The Manuscript.

The dissertation on competition of scientific degree of a Candidate Technical Science on a speciality 05.12.02 - telecommunication systems and the networks - Opened international university of development of the person "Ukraine", Kiev, 2008.

The improved method of management telecommunication networks allows due to more exact prognostication of traffic to promote quality of management maintenance of network processes. For more exact exposure of time of communication data delay and size of buffer, necessity, for an information transfer without the losses of packages, mathematical models which take into account fractal character of traffic are developed. Due to the use of the dynamic system of priority the improved method of quality providing of service is in networks. The offered method of streams division of packages is on the maximum knot of MPLS network - supports architecture of the integrated services and provides minimum time of information routes forming transfer due to the choice of the optimum routing.

Keywords: telecommunication systems, quality of service, priority packages, fractal processes.

Размещено на Allbest.ru

...