Модернізація управління повторними передачами на транспортному рівні базової TCP/IP мережі наступного покоління

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 621.391

Модернізація управління повторними передачами на транспортному рівні базової TCP/IP мережі наступного покоління

Спеціальність 05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Єременко Олександра Сергіївна

Харків 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Поповський Володимир Володимирович, Харківський національний університет радіоелектроніки,завідувач кафедри «Телекомунікаційні системи».

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, с.н.с. Бараннік Володимир Вікторович, Харківський університет повітряних сил ім. І. Кожедуба, провідний науковий співробітник науково-дослідного відділу наукового центру;

кандидат технічних наук, доцент Книгавко Микола Володимирович,Українська державна академія залізничного транспорту, доцент кафедри «Транспортний зв'язок».

Захист відбудеться “21“ травня 2008 р. о 15-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “18” квітня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 В.М. Безрук

повторний передача кругового трафік

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз концепції побудови мереж зв'язку наступного покоління (МНП, NGN - Next Generation Network) показав, що перспективним напрямком розвитку телекомунікаційних мереж (ТКМ) є розширення спектра послуг, що надаються користувачам, та уніфікація мережних рішень, які являють собою реалізацію універсальної транспортної мережі. Однією з особливостей інфраструктури МНП є використання пакетної комутації як основної технології побудови транспортної мережі. Базовими протоколами такої транспортної структури є протоколи стеку TCP/IP. Ці протоколи зарекомендували себе як надійні та перевірені на практиці, однак вони не в змозі задовольнити весь перелік вимог користувачів МНП. Насамперед це пов'язано з низькою ефективністю протоколів при передачі різнорідного трафіку у перевантажених мережах. Одним з напрямків підвищення ефективності функціонування мережі є модернізація транспортних протоколів.

Відповідно до цього існує необхідність вдосконалення стандартних транспортних протоколів і створення нових, призначених для використання в МНП. Дана дисертаційна робота присвячена дослідженню та вдосконаленню протоколу управління передачею ТСР (Transmission Control Protocol) транспортного рівня мережі TCP/IP. Оскільки протокол ТСР забезпечує надійну передачу даних, то реалізація механізмів повторної передачі (ПП) є необхідною умовою організації гарантованої доставки сегментів даних від відправника одержувачу. Однак використання механізму ПП також призводить до зниження продуктивності з'єднань внаслідок зменшення вікна передачі, збільшення часу кругового обігу, неефективного використання мережного ресурсу.

Одним з методів управління частотою ПП у з'єднанні ТСР є тайм-аут. Отже регулюючи метод визначення тайм-ауту ПП, можна отримати більш гнучке реагування модуля ТСР на зміни стану мережі. Метод управління тайм-аутом ПП дозволяє значно впливати на продуктивність. Також важливо відмітити, що некоректні методи управління тайм-аутом можуть призвести до помилкових ПП, які спричиняють невиправдане зниження продуктивності з'єднання ТСР. Зниження продуктивності в даному випадку проявляється у зменшенні кількості сегментів вікна передачі та підвищенню надлишкових сегментів ТСР у мережі. Тут і далі під продуктивністю з'єднання ТСР розуміється кількість байтів, що передаються за одиницю часу, від модуля ТСР відправника.

У зв'язку з цим, тема дисертаційної роботи спрямована на розв'язання актуальної науково-прикладної задачі, суть якої полягає в модернізації управління тайм-аутом ПП з метою підвищення продуктивності ТСР з`єднання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота проводилася відповідно до вимог «Концепції розвитку зв'язку України до 2010 року», «Концепції конвергенції телефонних мереж і мереж з пакетною комутацією в Україні» та є продовженням і подальшим розвитком планової держбюджетної науково-дослідної роботи (НДР), в якій здобувач був виконавцем, а саме НДР №129-1 «Розробка технології побудови активних телекомунікаційних мереж, методології їх аналізу і синтезу для забезпечення розподілених інформаційно-обчислювальних систем» (ДР №0101U005126), яка виконувалася кафедрою «Телекомунікаційні системи» Харківського національного університету радіоелектроніки (ХНУРЕ).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - модернізація методу управління тайм-аутом ПП протоколу ТСР, який дозволяє підвищити продуктивність ТСР з`єднання за рахунок використання процедури оптимальної лінійної фільтрації Калмана-Б'юсі.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено такі задачі дослідження:

- проведено аналіз методів управління тайм-аутом ПП у протоколі ТСР;

- формалізовано процес ПП сегментів по тайм-ауту у з'єднанні ТСР з урахуванням часових параметрів, як СМО з урахуванням параметрів з'єднання (Round-Trip Time) і (Retransmission Timeout);

- експериментально досліджено статистичні характеристики часових параметрів з'єднання ТСР, що використовуються в управлінні потоком сегментів даних, а саме, час кругового обігу та тайм-аут ПП в умовах різнорідного трафіку;

- розроблено стохастичну модель часу кругового обігу з'єднання ТСР в умовах різнорідного трафіку;

- запропоновано та впроваджено процедуру оптимальної лінійної фільтрації Калмана-Б'юсі як метод отримання оцінок часу кругового обігу для його використання при визначенні тайм-ауту ПП;

- розроблені аналітичні моделі раунду функціонування з'єднання ТСР з урахуванням ефекту ПП як СМО;

- розроблено рекомендації щодо практичної реалізації запропонованого методу оцінювання часу кругового обігу та модифікованого методу управління ПП по тайм-ауту в протоколі ТСР.

Об'єкт дослідження - процес управління потоком даних у з'єднанні ТСР.

Предмет дослідження - метод управління потоком ПП по тайм-ауту сегментів даних у з'єднанні ТСР.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених в роботі задач використано такі методи дослідження: методи аналітичного та імітаційного моделювання, методи експериментальних досліджень на фрагменті реальної телекомунікаційної мережі (ТКМ); з метою аналізу результатів, одержаних під час практичного проведення натурного експерименту на фрагменті МНП, використовувалися методи обробки статистичних даних, методи математичної статистики та статистичного аналізу, теорія телетрафіка; під час дослідження випадкового процесу часу кругового обігу застосовувалася теорія оптимальної лінійної фільтрації; при модифікації управління ПП по тайм-ауту - теорія оптимального автоматичного управління; під час розробки математичних моделей - теорія масового обслуговування, теорія телетрафіка. В цілому в роботі використовувалися елементи математичного аналізу, теорії випадкових процесів, теорії ймовірностей.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі автором отримано такі нові наукові результати:

1. Вперше розроблено стохастичну модель зміни часу кругового обігу в умовах різнорідного трафіку як дискретного випадкового процесу. Результати моделювання дозволили зробити висновок про те, що при управлінні тайм-аутом ПП у МНП можливе використання методів оптимальної лінійної фільтрації.

2. Дістало подальшого розвитку використання процедури оптимальної лінійної фільтрації Калмана-Б'юсі (ФКБ) як метод оцінювання часу кругового обігу в протоколі ТСР для управління тайм-аутом ПП. На відміну від відомих, запропонована процедура дозволяє врахувати динаміку змін стану мережі в окремих з'єднаннях ТСР.

3. Вперше розроблено аналітичні моделі раунду передачі даних у з'єднанні ТСР, які на відміну від відомих враховують механізм ПП по тайм-ауту. Запропоновані моделі дозволяють визначити ефективність модернізованого методу визначення тайм-ауту ПП.

4. Вдосконалено набір показників якості функціонування раунду з'єднання ТСР, що дає змогу проводити аналіз динаміки ПП по тайм-ауту.

Практичне значення отриманих результатів. Наукові результати, одержані в дисертаційній роботі, мають таке практичне значення:

1. Запропонований метод управління ПП сегментів ТСР по тайм-ауту є науково обґрунтованою базою для проектування нових і модернізації існуючих протоколів наскрізної передачі даних транспортного рівня, заснованих на ТСР.

2. Розроблена система показників якості з'єднання ТСР може бути використана в програмних аналізаторах мережного трафіку для оцінки потоку даних у з'єднаннях й урахуванні ПП під час аналізу мережної ситуації та при мережному моніторингу.

3. Результати дисертаційної роботи використано у навчальному процесі кафедри «Телекомунікаційні системи» ХНУРЕ, зокрема в дисципліні «Сучасні телекомунікаційні технології». Матеріали дисертації також знайшли відображення в НДР, а саме в НДР №129-1 «Розробка технології побудови активних телекомунікаційних мереж, методології їх аналізу і синтезу для забезпечення розподілених інформаційно-обчислювальних систем» (ДР №0101U005126). Використання результатів дисертаційної роботи підтверджується двома відповідними актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. В тому числі в роботах, написаних у співавторстві, автору належать результати: в роботах [1 - 3] автору належить організація та проведення експерименту, обробка й аналіз його результатів; в роботах [4 - 6] - постановка задач, проведення розрахунків, аналіз навантаження й управління; в роботі [9] - розробка архітектури забезпечення та структурної схеми системи захисту авторського права як системи зв'язку; в роботі [10] - аналіз існуючих протоколів транспортного рівня мереж TCP/IP, визначення впливу ПП на продуктивність з'єднань ТСР і пропозиція моделі з'єднання з урахуванням ПП.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи подано й обговорено на наукових семінарах і засіданнях кафедри «Телекомунікаційні системи» ХНУРЕ, а також на таких конференціях: IХ-й, Х-й Міжнародних конференціях «Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації» (м. Харків - м. Туапсе, 2003, 2004); Міжнародній науково-технічній конференції «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні» (м. Харків, ХАІ, 2003, 2004); VIІІ-му, VIV-му, X-му, XI-му Міжнародному молодіжному форумі «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ столітті» (м. Харків, 2004 - 2007); IІ-му Міжнародному радіоелектронному форумі «Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку» (м. Харків, 2005); І-ій Міжнародній конференції «Глобальні інформаційні системи. Проблеми і тенденції розвитку» (м. Харків, ХНУРЕ, 2006); ІІ-ій Міжнародній науковій конференції «Сучасні інформаційні системи. Проблеми і тенденції розвитку» (м. Харків, ХНУРЕ, 2007); Науково-технічній конференції «Проблеми телекомунікацій» (м. Київ, Інститут телекомунікаційних систем НТУУ «КПІ», 2006); Науково-практичній конференції «Перспективні технологічні і ринкові напрями розвитку телекомунікаційних послуг в новітніх бездротових системах зв'язку» (м. Одеса, УНДІРТ, 2007).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 23 наукових роботах, з яких 10 статей - в наукових спеціалізованих виданнях, включених у перелік фахових видань ВАК України. Крім того, матеріали дисертаційної роботи були апробовані в 13 доповідях на науково-технічних конференціях і форумах. Всі публікації за темою дисертації.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел. Загальний обсяг дисертації 156 сторінок: 135 стор. основного тексту, 42 рисунки, 11 таблиць та 192 джерела бібліографічного огляду, викладеного на 18 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, показано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, а також наведено інші необхідні характеристики дисертаційної роботи.

У першому розділі проаналізовано тенденції розвитку ТКМ, загальні напрями модифікацій сучасних протоколів наскрізної передачі даних транспортного рівня мереж TCP/IP, наведено поняття «повтору» в ТКМ, а також повтору сегменту в рамках з'єднання ТСР та охарактеризовано основні параметри моделі взаємодії модулів ТСР відправника й одержувача в рамках з'єднання ТСР як СМО з ПП.

Показано, що протокол ТСР є найпоширенішим транспортним протоколом у МНП і широко використовується як основа при модифікаціях і створенні нових транспортних протоколів. Проте під час його використання в МНП необхідні певні модернізації щодо підвищення продуктивності з'єднань ТСР в умовах різнорідного трафіку.

У протоколі ТСР при управлінні потоком передбачено механізми ПП. Зважаючи на те, що ПП по тайм-ауту значно впливають на продуктивність з'єднань ТСР, модернізація управління тайм-аутом є необхідною умовою адаптації протоколу ТСР до функціонування в МНП.

Для аналізу управління тайм-аутом ПП та характеристик потоків сегментів у з'єднанні ТСР виявляється необхідною розробка аналітичної моделі раунду з'єднання з урахуванням ефекту ПП. Найбільш придатними в даному випадку є моделі СМО. Вибір цього класу моделей обумовлено особливостями функціонування модулів ТСР у рамках раунду з'єднання та низькою обчислювальною складністю. Встановлено, що на транспортному рівні ТКМ функціонують з'єднання ТСР з ПП як окремі СМО, в яких здійснюється обмін блоками даних - сегментами, причому джерелом навантаження є модуль ТСР відправника, а канал обслуговування включає мережу та модуль ТСР одержувача. Структурну схему розробленої моделі раунду з'єднання ТСР як СМО з ПП з урахуванням параметрів з'єднання часу кругового обігу і тайм-ауту ПП наведено на рис. 1.

Рис. 1 Структурна схема моделі раунду з'єднання ТСР

Розробка моделі дозволила формалізувати процес ПП, що в подальшому дало можливість провести оцінку показників якості раунду з`єднання ТСР під час використання різних механізмів управління ПП.

У другому розділі наведено результати експериментальних досліджень з'єднань ТСР, проаналізовано статистичні властивості часових параметрів і при передачі сегментів даних у рамках з'єднань. Проведено порівняльний аналіз основних моделей представлення з'єднання ТСР, а також методів вимірювання . Розроблено стохастичні моделі випадкового процесу для різних реалізацій з'єднань ТСР.

Експериментальні дослідження проводилися на ділянці ТКМ, представленій навчально-лабораторною мережею кафедри «Телекомунікаційні системи» ХНУРЕ, і полягали у тестуванні класу з'єднань ТСР по передачі даних у рамках внутрішньої локальної мережі та доступу до серверів мережі Інтернет в умовах різнорідного трафіку. Для аналізу статистичних характеристик потоку сегментів у з'єднанні ТСР використано величини і . Оскільки в дослідженні з'єднання представлялося як потік флайтів сегментів, то як метод вимірювання було обрано метод флайтів, при якому часом кругового обігу є час між моментом відправки одного флайта і моментом відправки наступного. При цьому розмір флайта є кількістю відправлених, але непідтверджених сегментів.

Оскільки єдиними учасниками з'єднання є модулі ТСР одержувача та відправника, то в рамках дослідження, згідно з механізмом передачі сегментів даних за протоколом ТСР, можна природно визначити -й зафіксований час , який складається з таких компонентів:

, (1)

де - час передачі -го сегмента; - час обробки -го сегмента модулем ТСР одержувача; - час формування підтвердження отримання -го сегмента одержувачем; - час передачі підтвердження. Складові і характеризують обслуговування сегмента мережею, а і - обробку модулем ТСР одержувача.

Аналіз результатів проведених експериментальних досліджень (рис. 2.) первинних і повторних потоків сегментів даних у з'єднаннях ТСР показав, що параметр первинного потоку є випадковим процесом і змінюється в достатньо широких межах. Нестаціонарність процесу виявляється за наявності вузьких місць і перевантажень. Проте на інтервалах прийняття рішень (визначення тайм-ауту ПП) процеси з'єднань ТСР і глобальної, і локальної мережі, як правило, проявляють себе як стаціонарні. Аналіз отриманих статистичних даних показав, що густина розподілу ймовірностей значень може бути апроксимована Гаусовим законом, а автокореляційна функція - експоненціальною характеристикою (рис. 2.). Це дозволило зробити висновок, що процес зміни є марківським й може бути формалізованим рівнянням стану та спостереження. Рівняння стану має вигляд:

, (2)

де - величина, що характеризує інерційність системи; - вибіркове значення гаусівського білого шуму, що генерує випадковий процес ; - коефіцієнт породження.

Рівняння спостереження подається виразом:

, (3)

де - шум спостереження; - коефіцієнт спостереження, в даному випадку без втрати загальності .

Рівняння стану (2) та спостереження (3) являють собою стохастичну модель процесу . Параметри моделі , та інтервал кореляції були отримані на основі експериментальних даних. Середні значення цих параметрів для локальної мережі дорівнюють , , а для глобальної - , .

Проведені дослідження часу кругового обігу як випадкового процесу свідчать про необхідність динамічного оцінювання в окремому з'єднанні, а розроблена модель дозволяє використання на етапі оцінювання процедуру оптимальної лінійної фільтрації Калмана- Б'юсі.

У третьому розділі висвітлено основні складності визначення тайм-ауту ПП, а також обґрунтовано необхідність модифікації методу розрахунку . Сформульовані пропозиції щодо зміни методу оцінювання часу кругового обігу. Запропоновано модернізацію методу визначення тайм-ауту ПП сегментів у з'єднанні ТСР шляхом введення процедури ФКБ.

Рис. 2 Динаміка змін у з'єднанні ТСР глобальної мережі (а), гістограма розподілу (б) й автокореляційна функція (в)

У стандартному методі визначення , заснованому на методі Ван Джейкобсона, на етапі оцінювання використовується експоненційне згладжування з постійним коефіцієнтом, який знижує ефективність використання ТСР в умовах різнорідного трафіку.

Проведені експериментальні дослідження свідчать, що випадковий процес з достатньою для практики точністю може бути поданий як марківський та описаний за допомогою рівнянь стану та спостереження, а отже для його оцінювання можливе використання процедури ФКБ. Таким чином, модернізований метод визначення можна подати у вигляді:



(4)

де - оцінка у момент часу ; - величина, що характеризує інерційність системи; - коефіцієнт посилення в момент часу ; - значення , що фіксується; - коефіцієнт спостереження (); - вибіркове лінійне відхилення в момент часу ; - оцінка мінливості у момент часу ; , - масштабні коефіцієнти, які застосовуються в методі Ван Джейкобсона.

На першому кроці модернізованого методу визначення замість стандартно використаної впроваджено процедуру ФКБ. Як шум спостереження обирається часовий шум, природа якого полягає в похибках вимірювання, дискретизації часових інтервалів, а також у дії реального енергетичного шуму, що заважає вимірюванням.

Визначення ефективності застосування механізму розрахунку тайм-ауту ПП з використанням процедури ФКБ проводилося шляхом оцінки виграшу у швидкості передачі від модуля ТСР відправника в рамках раунду, який складає 3 - 5 %. Також було розраховано зменшення часу простою при очікуванні закінчення тайм-ауту, який в середньому складає 8 % та 5 % для з'єднань ТСР локальної та глобальної мережі відповідно, що наочно ілюстроване на рис. 3.

Рис. 3 Порівняння величин тайм-ауту ПП, визначених за різними механізмами

У четвертому розділі розроблено аналітичні моделі з'єднань ТСР з ПП сегментів даних на транспортному рівні мереж ТСР/IP. Проведено аналіз різних моделей СМО з ПП раунду з'єднання ТСР, а також обґрунтовування їх використання для моделювання процесів взаємодії модулів ТСР відправника й одержувача в рамках раунду. Запропоновано методики визначення імовірнісних характеристик з'єднання ТСР з урахуванням ПП сегментів даних.

Рис. 4 Раунд з'єднання ТСР як СМО з ПП з урахуванням складових часу кругового обігу

Природа з'єднань ТСР дозволяє представити раунд його функціонування як систему з фіксованим набором станів. Формалізація такої системи легко виконується за допомогою СМО. Виходячи із статистичних особливостей з'єднань ТСР, доцільно використати як модель СМО типу . Це обумовлено, головним чином, її низькою обчислювальною складністю та здатністю адекватного відображення реального процесу взаємодії модулів ТСР.

Модель раунду з'єднання ТСР як СМО з ПП типу (рис. 4.) описується такими параметрами: СМО має один канал обслуговування, а час обслуговування розподілений експоненційно з параметром ; вхідний потік сегментів, які передаються вперше, генерується модулем ТСР відправника та є пуасонівським з інтенсивністю , де - час між прибуттям підтвердження та відправки наступного блоку даних модулем ТСР відправника; необслужений блок даних вимушений покинути область обслуговування і стає джерелом ПП, кожне джерело такого типу формує пуасонівський потік ПП інтенсивності ; після обслуговування повторно переданого блоку даних джерело ПП «зникає».

Моделі подано у вигляді графів станів. Запропоновано два різновиди таких моделей: СМО з ПП зі змінною, що характеризує кількість джерел ПП, а також розширена СМО з ПП з двома змінними, що характеризують зайнятість каналу обслуговування та кількість джерел ПП. Під «зайнятістю» приймається відсутність підтвердження отримання відправлених сегментів, що не допускає відправки нової групи даних і, загалом, провокує ПП.

Розробка розширеної моделі обумовлена необхідністю більш детального аналізу з'єднань ТСР у МНП, які характеризуються великою кількістю обладнання та різнорідністю каналів зв`язку.

Загальні вирази для ймовірностей стану в сталому режимі мають вигляд:

1) ймовірність станів для СМО з ПП з однією змінною

, (5)

2) ймовірність станів () для СМО з ПП з двома змінними

, , (6)

, , (7)

де - кількість відправлених, але не підтверджених сегментів флайта.

Для оцінки ефективності функціонування з'єднання ТСР введено такі показники якості, що визначаються на основі ймовірностей станів розроблених математичних моделей: ймовірність втрат сегмента, що передається вперше (), загальна ймовірність втрат (), середня кількість джерел ПП (), середня кількість передач (первинних і повторних) в одиницю часу (), середня кількість ПП на одну первинну передачу (), середня кількість зайнятих каналів обслуговування (). На відміну від відомих, даний набір показників якості дозволяє врахувати ефект ПП сегментів по тайм-ауту.

За допомогою розроблених моделей проведено оцінку ефективності запропонованого методу управління тайм-аутом ПП шляхом зрівняння показників якості для з'єднань ТСР різної тривалості (табл. 1, 2).



Таблиця 1

Усереднені характеристики з'єднання ТСР глобальної мережі

Часовий параметр	, с	, с	, с	, сегментів
Величина	0,092	0,097	0,095	20

Таблиця 2

Параметри усередненого раунду з'єднання ТСР глобальної мережі

Імовірнісні характеристики	СМО з ПП з однією змінною	СМО з ПП з двома змінними
	, с	, с	, с	, с
	0,1154	0,1133	0,0527	0,0518
	0,3150	0,3157	0,3017	0,3024
	0,3321	0,3260	0,3181	0,3123
, сегм/с	14,293	14,301	14,149	14,156
	-	-	0,1507	0,1501
	-	-	0,4974	0,4974

В табл. 1 позначено: - середній за з'єднанням час кругового обігу; - середнє значення тайм-ауту ПП, визначене згідно з методом Ван Джейкобсона; - середнє значення тайм-ауту ПП, визначене згідно з модернізованим методом з використанням процедури ФКБ; - середній розмір вікна передачі у фазі запобігання перевантаженню.

Розглянуто та проаналізовано також функцію наполегливості модуля ТСР відправника та визначено, що в рамках окремого раунду він є абсолютно наполегливим. Це обумовлено особливостями протоколу ТСР.

У п'ятому розділі проведено аналіз введення модифікацій у протокол ТСР, а також запропонованої процедури оцінювання часу кругового обігу. Розроблено структурну схему модернізованого методу визначення тайм-ауту ПП. Сформульовано рекомендації щодо урахування ПП під час аналізу з'єднань ТСР.

Запропонований механізм управління ПП по тайм-ауту в протоколі ТСР дозволяє більш повно, ніж відомі використовувати пропускну спроможність з'єднань ТСР. Проте впровадженню модифікацій перешкоджає ряд чинників: необхідність підтримки механізму управління ПП модулями ТСР усіх мережних елементів; підтримка різних алгоритмів управління трафіком для мереж, що передають дані по різних фізичних середовищах з відмінними швидкостями та технологіями; забезпечення багатозадачності пристроїв, на яких функціонують модулі TCP, для одночасного управління безліччю неагрегованих з'єднань ТСР.

Таким чином, при практичній реалізації модифікацій управління ПП по тайм-ауту необхідний ретельний аналіз як версій протоколу ТСР, так і мережних умов їх функціонування. Проте найсприятливішим є рішення уніфіковане й оптимальне для МНП у цілому, досягнення якого можливе з урахуванням запропонованої модифікації управління ПП по тайм-ауту.

ПП по тайм-ауту є найгіршими з усіх можливих ПП, а, отже, вимагають детальнішого відстеження й аналізу для будь-яких типів мереж: для високошвидкісних мереж частими є множинні втрати, які призводять до значних знижень продуктивності з'єднань; в мережах з невеликим значенням множення смуги пропускання й затримки ПП по тайм-ауту - основний індикатор втрат. Як метод аналізу пропонується використання впроваджених показників якості з'єднання ТСР як СМО з ПП у рамках раунду. Методи їх визначення можуть бути включені в аналізатори протоколів, враховуючи їх невисоку обчислювальну складність.

В разі використання ТСР у мобільних мережах, як складової МНП, введення процедури оцінювання методом ФКБ, має такі переваги: необхідність зміни функціонування тільки модулів ТСР учасників з'єднання, отримання оптимальної оцінки часу кругового обігу, швидка реакція процедури.

ВИСНОВКИ

У дисертації отримано нові науково обґрунтовані результати в області телекомунікаційних систем та мереж, що в сукупності вирішують важливу науково-прикладну задачу - підвищення продуктивності з'єднань ТСР шляхом модернізації методу управління тайм-аутом ПП протоколу ТСР на основі впровадження процедури оптимальної лінійної фільтрації Калмана-Б'юсі. Використання запропонованого методу дозволяє підвищити продуктивність з'єднань ТСР на 3 - 5 % за рахунок зменшення часу простою.

В процесі виконання роботи отримано наукові та практичні результати, які полягають у наступному.

1. Проведено аналіз транспортних протоколів МНП, який показав, що протокол ТСР серед існуючих є найбільш поширеним. Проте до недоліків цього протоколу та його модифікацій відноситься низька ефективність функціонування в умовах передачі різнорідного трафіку. Показано, що одним із напрямків підвищення ефективності ТСР є модернізація методів управління тайм-аутом ПП протоколу ТСР.

2. Проведено аналіз методів управління тайм-аутом ПП протоколу ТСР, який показав необхідність впровадження процедури оптимальної лінійної фільтрації Калмана-Б'юсі.

3. Формалізовано процес ПП сегментів по тайм-ауту у з'єднанні ТСР як СМО з урахуванням параметрів з'єднання і .

4. Проведено експериментальне дослідження статистичних характеристик часових параметрів з'єднання ТСР, яке дозволило перевірити гіпотезу про розподілення значень за Гаусовим законом та експоненціальний характер автокореляційної функції. Виходячи з цього, процес зміни не суперечить марківському і може бути описаним за допомогою рівнянь стану та спостереження.

5. Розроблено стохастичну модель у вигляді рівнянь стану та спостереження, що дозволило зробити висновок про можливість здійснення оцінювання за допомогою процедури оптимальної лінійної фільтрації Калмана-Б'юсі.

6. Розроблено метод оцінювання за допомогою процедури ФКБ, який має такі основні переваги: по-перше, точність оцінювання поточного значення значно вище в порівнянні з точністю відповідних оцінок, передбачених у сучасних стандартах TCP; по-друге, процедура оптимальної лінійної фільтрації дозволяє точніше відповісти на запитання: чи є втрата сегмента дійсним індикатором того, що канал перевантажений. Коефіцієнт посилення фільтра Калмана-Б'юсі залежить від параметрів шуму спостереження, який вибирається як часовий шум, природа якого в похибках вимірювання, дискретизації часових інтервалів, а також у дії реального енергетичного шуму, що заважає вимірюванням. Згідно з експериментальними дослідженнями, шум спостереження може характеризуватися узагальненою дисперсією, вклад в яку вносять всі перераховані компоненти.

5. Запропоновано модернізувати стандартний метод визначення шляхом використання для оцінювання процедури ФКБ. Моделювання модернізованого методу визначення адаптивного тайм-ауту ПП показало, що під час використання оцінювання ФКБ тривалість досягнення сталого стану складає 5 - 6 кроків, що значно оперативніше за час збіжності за методом Ван Джейкобсона. Точність оцінки визначається коефіцієнтом посилення , за допомогою якої можна оцінити сплески значень або як зміни стану мережі, або як випадкові коливання, пов'язані з особливостями функціонування технологій нижчих рівнів та мережних елементів.

6. Проведено дослідження ефективності модернізованого методу визначення тайм-ауту ПП, які показали, що верхня межа оптимального значення , при якому досягається максимальна пропускна спроможність з'єднання, не перевищується. Модернізований метод управління тайм-аутом ПП протоколу ТСР дозволяє збільшити швидкість передачі від модуля ТСР відправника на 3 - 5 %. Час простою при очікуванні скінчення тайм-ауту зменшується в середньому на 5 - 8 %.

7. Розроблено та проаналізовано аналітичні моделі раунду з'єднання ТСР з урахуванням ефекту ПП по тайм-ауту як СМО. Розробка моделі дозволила на основі визначення ймовірностей станів одержати характеристики раунду функціонування з'єднання ТСР. Як параметри моделей обираються фізичні характеристики з'єднання, а саме, пари пов'язаних величин і , які характеризують потоки первинних і повторних передач сегментів, а також їх обслуговування. Експериментально обґрунтовано, що величина часу простою між отриманням підтвердження сегмента та відправки наступного в з'єднанні ТСР як СМО з ПП залежить від прикладної програми, що використовується на вищому рівні, та для досліджуваних з'єднань прагне до нуля. Доведено, що функція наполегливості для даних моделей характеризується тільки ймовірністю повтору після першої втрати, яка дорівнює одиниці внаслідок особливостей протоколу ТСР. Таким чином, у рамках окремого раунду модуль ТСР відправника може розглядатися як абсолютно наполегливий. Проведений розрахунок СМО з повторами для досліджених експериментально з'єднань ТСР показав адекватність розроблених аналітичних моделей та їх застосування під час аналізу процесів у з'єднанні ТСР на практиці.

8. Розроблено рекомендації щодо впровадження модернізованого методу віизначення тайм-ауту ПП у протоколі ТСР. Показано основні чинники, які перешкоджають реалізації модернізацій у протоколі ТСР, причому найважливішим при цьому є необхідність зміни логіки функціонування модулів ТСР усіх елементів мережі. Розроблено структурну схему запропонованого модифікованого методу визначення , яка є розвитком методу Ван Джейкобсона. Запропоновано використовувати як метод аналізу ефекту ПП у з'єднаннях ТСР визначення показників якості раунду. Показано основні напрями модифікацій протоколу ТСР у мобільних мережах, причому застосування процедури ФКБ як оцінювання часу кругового обігу в даному випадку має значні переваги.

Таким чином, досягнуто мету дослідження, яка полягає в підвищенні продуктивності з`єднання ТСР за рахунок використання процедури оптимальної лінійної фільтрації Калмана-Б'юсі при модернізації методу управління тайм-аутом ПП протоколу ТСР.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Персиков А.В., Еременко А.С., Холод Л.Н. Разработка и исследование производительности анализаторов линий сигнализации // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - №6. - Харьков. - 2003. - С. 41-46.

2. Персиков А.В., Еременко А.С. Фрактальные методы программной маршрутизации в 3G-сетях. // Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник «Радиотехника». - Выпуск 138, Харьков. - 2004. - С. 44-50.

3. Еременко А.С., Персиков А.В. Оптимизация программных комплексов, использующих брокеры объектных запросов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - №2. - Харьков. - 2004. - С.19-23.

4. Персиков А.В., Еременко А.С. Создание масштабируемых распределенных хранилищ данных, предназначенных для использования в мультисервисных системах // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - №4. - Харьков. - 2004. - С. 73-76.

5. Персиков А.В., Еременко А.С. Исследование методов балансировки вычислительной нагрузки инфраструктуры точек доступа к мультисервисным системам // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - №.5 - Харьков. - 2004. - С.82-87.

6. Еременко А.С., Персиков А.В. Проектирование итерационных многоканальных систем управления в сетях на основе обмена HTTP/XML-сообщениями // Працi УНДIРТ. - №4, Одесса. - 2004. - С.12-16.

7. Еременко А.С. Учет повторных передач при анализе нагрузки сети с коммутацией пакетов системой предбиллинга // Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник «Радиотехника». - Выпуск №144, Харьков. - 2006. - С. 117-122.

8. Еременко А.С. Оптимизация алгоритма установления значений адаптивного тайм-аута повторных передач протокола ТСР при помощи фильтрации Калмана. // Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник «Радиотехника». - Выпуск № 148, Харьков. - 2007. - С.273-277.

9. Персиков А.В., Черный С.В., Еременко А.С. Некоторые общие вопросы разработки систем защиты авторского права на электронные документы, распространяемые в телекоммуникационных системах. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - №.4/2 (28) - Харьков. - 2007. - С.38-42.

10. Еременко А.С., Персиков А.В. Управление передачей трафика транспортной сетью NGN с учетом повторных передач. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - №.5/2 (29) - Харьков. - 2007. - С.4-12.

11. Персиков А.В., Еременко А.С. Описание распределенной мультисервисной системы с помощью тензоров состояний // 9-я Международная научная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”: Сб. тезисов докладов по материалам Международной научной конференции. - Харьков: ХНУРЭ, 2003, С. 16-17.

12. Персиков А.В., Еременко А.С. Организация сети провайдеров телекоммуникационных услуг фрактальным методом // Зб. матеріалів Мiжнародної науково-технiчної конференції “Iнтегрованi комп`ютернi технології в машинобудуваннi”. - Харкiв: ХАI, 2003. - С. 151.

13. Еременко А.С. Управление ресурсами в разнотипных сотовых сетях // 10-я Юбилейная международная научная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”: Сб. тезисов докладов по материалам Международной научной конференции. - Харьков: ХНУРЭ, 2004, С. 109-110.

14. Еременко А.С. Особенности моделирования сетей связи фрактальным методом // 8-й Международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке”: Сб. научных трудов. Ч. 1. - Харьков: ХНУРЭ, 2004. - С. 69.

15. Еременко А.С. Исследование технических аспектов функциони-рования мультисервисных сетей в приложении к задачам маркетинга ТКС // Мiжнародна науково-технiчна конференція “Iнтегрованi комп`ютернi технології в машинобудуваннi ІКТМ-2004”. Тези доповідей. - Харкiв: ХАI, 2004. - С. 263.

16. Еременко А.С. Исследование вопросов интеграции сетей хранения данных в мультисервисные ТКС // 9-й Міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ столітті»: Зб. матеріалів форуму. - Харків, ХНУРЕ, 2005. - С. 74.

17. Еременко А.С. Создание системы учета сетевых ресурсов в рамках биллинговой системы IP-сети // II-й Международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» МРФ-2005. Сборник научных трудов. Том IV. Международная конференция «Телекоммуникационные технологии и сети». - Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ. 2005. - С. 86-89.

18. Еременко А.С. Особенности применения методов data mining при анализе мультисервисных сетей // 1-а Мiжнародна конференція “Глобальні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку”: Зб. матеріалів конференції - Харків: ХНУРЕ, 2006. - С. 354-355.

19. Еременко А.С. Интеллектульное управление информацией в объединенных сетях // 10-й Ювілейний міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ ст.»: Зб. матеріалів форуму. - Харків: ХНУРЕ, 2006. - С. 83.

20. Еременко А.С. Расчет тайм-аута повторных передач протокола ТСР с помощью сетей массового обслуживания // 11-й міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ ст.»: Зб. матеріалів форуму. - Харків: ХНУРЕ, 2007. ч.1. - С. 95.

21. Еременко А.С., Персиков А.В. Методика исследования влияния повторных передач на показатели сети следующего поколения // Зб. тез доповідей Науково-технічної конференції «Проблеми телекомунікацій». - Київ: Інститут телекомунікаційних систем НТУУ «КПІ», 2007. - С. 202-203.

22. Еременко А.С., Персиков А.В. Моделирование повторных передач блоков данных в рамках ТСР-соединения // 2-а Мiжнародна наукова конференція “Сучасні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку”: Зб. матеріалів конференції - Харьков: ХНУРЕ, 2007. - С. 127-128.

23. Персиков А.В., Еременко А.С. Вопросы обеспечения безопасности пользователей в динамических операционных средах на основе беспроводных технологий // Праці науково-практичної конференції «Перспективні технологічні та ринкові напрями розвитку телекомунікаційних послуг у новітніх безпроводових системах зв`язку». - Одеса: УНДІРТ, 2007. - С. 81-84.

АНОТАЦЇ

Єременко О.С. Модернізація управління повторними передачами на транспортному рівні базової TCP/IP мережі наступного покоління. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2008.

У дисертації отримано нові науково обґрунтовані результати в області телекомунікаційних систем та мереж, що в сукупності вирішують важливу науково-прикладну задачу - підвищення продуктивності з'єднань ТСР шляхом модернізації методу управління тайм-аутом повторної передачі (Retransmission Timeout, RTO) протоколу ТСР на основі впровадження процедури оптимальної лінійної фільтрації Калмана-Б'юсі (ФКБ). Використання запропонованого методу дозволяє підвищити продуктивність з'єднань ТСР за рахунок зменшення часу простою. Експериментальні дослідження реалізацій з'єднань ТСР показали, що процес зміни часу кругового обігу (Round-Trip Time, RTT) не суперечить марківському. Запропоновано модернізувати метод визначення RTO шляхом впровадження на ланці оцінювання RTT процедуру ФКБ. Вказана модернізація призводить до збільшення швидкості передачі від модуля ТСР відправника та продуктивності TCP/IP мережі в цілому. Розроблено аналітичні моделі раунду з'єднання ТСР з повторними передачами по тайм-ауту як системи масового обслуговування та одержано його показники якості, які можуть бути використані для практичного аналізу ефекту повторних передач у з'єднаннях ТСР.

Ключові слова: мережа наступного покоління, протокол управління передачею, наскрізне з`єднання, повторна передача, параметр з`єднання, випадковий процес, система масового обслуговування.



Еременко А.С. Модернизация управления повторными передачами на транспортном уровне базовой TCP/IP сети последующего поколения. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2008.

В диссертации получены новые научно обоснованные результаты в области телекоммуникационных систем и сетей, которые в совокупности являются решением важной научно-прикладной задачи - повышение производительности соединений ТСР путем модернизации метода управления тайм-аутом повторной передачи (Retransmission Timeout, RTO) протокола ТСР на основе внедрения процедуры оптимальной линейной фильтрации Калмана-Бьюси (ФКБ). Использование предложенного метода позволяет повысить производительность соединений ТСР за счет уменьшения времени простоя.

ТСР является наиболее распространенным транспортным протоколом в сетях последующего поколения (СПП), широко используется в качестве основы при модификациях и создании новых транспортных протоколов для СПП с учетом принятия технологии TCP/IP для развертывания базовой сети. Влияние повторных передач на функционирование соединений ТСР главным образом заключается в снижении производительности. Базовые свойства ТСР остаются практически неизменными при разработке протоколов, основанных на нем, таким образом, исследование элементарного звена транспортного уровня соединения ТСР и потоков передаваемых в рамках соединения сегментов данных является актуальной научной и практической задачей.

Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований первичных и повторных потоков сегментов данных в соединениях ТСР показал, что процесс изменения времени кругового обращения (Round-Trip Time, RTT) не противоречит марковскому и изменяется в достаточно широких пределах. Нестационарность процесса RTT проявляется в случае зашумленного канала, при наличии узких мест и перегрузок. Однако на интервалах принятия решений процессы RTT соединений ТСР и глобальной, и локальной сети, как правило, проявляют себя как стационарные. На основе динамики изменений RTT, возможности аппроксимации плотности распределения вероятностей этого процесса Гауссовым законом и вид корреляционной функции, позволяющей представление в виде экспоненциальной характеристики, сделан вывод, что процесс изменения RTT может аппроксимироваться уравнением состояния и уравнением наблюдения. В этом случае оценка RTT, необходимая для управления тайм-аутом ПП, может быть получена в рамках формализации Калмана-Бьюси.

Предложено модернизировать стандартный метод вычисления RTO путем использования для оценивания времени RTТ процедуру ФКБ. Моделирование модернизированного метода вычисления адаптивного тайм-аута повторных передач показало, что при применении оценивания ФКБ время достижения установившегося состояния составляет 5 - 6 шагов, обеспечивается более точная оценка RTТ. Проведенные исследования эффективности модернизированного метода вычисления RTO показали, что верхняя граница оптимального значения тайм-аута ПП не превышается, а также наблюдается общее увеличение скорости передачи от модуля ТСР отправителя и уменьшение времени простоя.

Разработано и проанализировано аналитические модели раунда соединения ТСР как СМО с учетом эффекта повторных передач, которые позволяют на основе вероятностей состояний получать показатели качества соединения ТСР с учетом повторных передач по тайм-ауту и его временных параметров.

Повторные передачи по тайм-ауту являются наихудшими из всех возможных повторных передач, а, следовательно, требуют более детального отслеживания и анализа для любых типов сетей, составляющих СПП. Предложенные методы вычисления показателей качества могут быть включены в различные анализаторы протоколов с целью отслеживания динамики повторных передач по тайм-ауту в соединениях ТСР.

Ключевые слова: сеть последующего поколения, протокол управления передачей, сквозное соединение, повторная передача, параметр соединения, случайный процесс, система массового обслуживания.

Eremenko A.S. Modernization of retransmissions management on the transport layer of core TCP/IP next generation network. - Manuscript. The thesis for the candidate's degree of technical science in specialty 05.12.02 - telecommunication systems and networks. - Kharkiv National University of Radio Electronics, Kharkiv, 2008.

New scientifically grounded results in the area of the telecommunication systems and networks which in the aggregate solve the important scientifically-applied task of increasing the productivity of the Transmission Control Protocol (TCP) connections by modernization of the method of Retransmission Timeout (RTO) management of TCP on the basis of introduction of Kalman-Bucy optimal linear filtering procedure have been obtained in this thesis. The use of the suggested method allows to raise TCP connections productivity due to diminishment of outage time. The conducted experimental research of realizations of TCP connections have shown that the process of Round-Trip Time (RTT) changes is not contrary to the markovian. It is proposed to modernize the method of RTO calculation by introduction of the procedure of Kalman-Bucy optimal linear filtering at the step of RTT evaluation. The indicated modernization results in the increase of transmission rate from the TCP module of the sender and TCP/IP network performance on the whole. The analytical models of the TCP connection round with retransmissions on timeout are developed as queuing systems and its quality coefficients are obtained which can be used for the practical analysis of retransmissions in TCP connections.

Key words: next generation network, transmission control protocol, end-to-end connection, retransmission, connection parameter, random process, queuing system.

Размещено на Allbest.ru

...