Исследование влияния методов маршрутизации на качество обслуживания в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Буров, Артем Анатольевич

• Буров, Артем Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Буров, Артем Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ МАРШРУТИЗАЦИЯ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ.

1.1 Основные понятия и определения.

1.2 Классификация методов маршрутизации.

1.3 Постановка задачи исследования методов маршрутизации, определение исходных данных и этапы решения поставленной задачи.

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОВ МАРШРУТИЗАЦИИ В МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ.

2.1 Анализ существующих подходов к исследованию методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи.

2.2 Разработка модели служебной нагрузки, создаваемой методами маршрутизации на сети связи.

2.3 Определение целевых характеристик функционирования мультисервисных сетей связи.

2.4 Математическая модель сети связи.

2.4.1 Математическая модель сетевых элементов.

2.4.2 Математическая модель информационных потоков.

2.4.3 Вероятность блокировки СМО с ограниченным буфером при входящем гамма потоке.

2.4.4 Время ожидания в СМО с относительными приоритетами при входящем гамма потоке.

2.4.5 Сравнение вероятностно-временных характеристик СМО для пуассоновских и самоподобных потоков.

2.5 Модель маршрутизации на сети связи.

2.5.1 Математическая модель распределения информационных потоков на сети связи.

2.5.2 Разработка алгоритма формирования таблиц маршрутизации лавинными методами маршрутизации.

2.5.3 Разработка алгоритма формирования таблиц маршрутизации игровыми методами маршрутизации.

2.6 Расчет интегральной оценки качества обслуживания.

2.7 Методы проверки графа сети на связность.

2.7.1 Метод «стягивания».

2.7.2 Метод «разрезания».

2.8 Оценка временных характеристик при передаче пакетов информации.

2.9 Методика исследования методов машрутизации в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях, при прохождении по ним самоподобного трафика.

2.10 Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕТОДОВ МАРШРУТИЗАЦИИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ.

3.1 Исходные данные задачи исследования.

3.2 Оценка погрешности вычисления результатов имитационного моделирования.

3.3 Исследование зависимости характеристик функционирования мультисервисной сети в условиях уменьшения доступных сетевых ресурсов при различных методах маршрутизации.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ МЕТОДОВ МАРШРУТИЗАЦИИ В МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ

4.1 Актуальность применения потоковой маршрутизации на сетях связи.

4.2 Анализ времени обработки пакетов в сетевом элементе.

4.3 Вероятность блокировки сетевого элемента при потоковых методах маршрутизации.

4.4 Определение интегральной оценки качества обслуживания при потоковой маршрутизации.

4.5 Рекомендации по выбору и применению методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи.

4.6 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния методов маршрутизации на качество обслуживания в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях»

Актуальность работы. Стремительное развитие современных систем связи, построенных на принципах коммутации пакетов, ставит перед разработчиками телекоммуникационных систем ряд задач. На передний план выходят задачи обеспечения качества услуг, предоставляемых пользователям сети, а также обеспечения высокой степени надежности функционирования современных мультисервиспых сетей связи.

Оба показателя прямо либо опосредовано зависят от протоколов маршрутизации, применяемых на сетях связи. Протоколы маршрутизации, в свою очередь, базируются па общепринятых подходах или методах маршрутизации. На сегодняшний день существует множество методов маршрутизации, разработанных с целыо обеспечения определенных характеристик сетей связи.

С развитием телекоммуникационных технологий выбор применяемых методов и протоколов маршрутизации не потерял своей актуальности. Особенно актуальным является изучение влияния методов маршрутизации на качество обслуживания в мультисервисных сетях связи, функционирующих в так называемых «экстремальных» условиях — условиях случайного изменения доступных сетевых ресурсов. Экстремальные условия функционирования возникают как по причине внутренних перегрузок сети связи при увеличении пользовательского и (или) служебного трафика, увеличении вероятности ошибки в тракте, переполнении буферных устройств сетевых элементов и т.п., так и по причине внешних воздействий, в том числе из-за обрывов линий связи, отключения электропитания, аварий и т.п. Следует также учитывать самоподобный характер проходящего по сетям связи трафика, что предъявляет определенные требования к применяемому математическому аппарату исследований.

На сегодняшний день достаточно хорошо развит математический аппарат для исследования мультисервисных сетей связи. Этому способствовало развитие теории массового обслуживания в середине 60-х гг. XX века. Появление теории массового обслуживания, как математического аппарата для исследования сетей с коммутацией каналов, дало толчок в развитии теории анализа сетей с коммутацией пакетов. Фундаментальными работами в области теории массового обслуживания можно назвать работы иностранных специалистов: J1. Клейнрока, А. Эрланга, М. Шварца. Среди отечественных ученых можно отметить работы В.М. Вишневского, М.П. Березко, Е.В. Левиера, Е.В. Федотова и других, обобщивших существующие теоретические наработки в области исследования сетей с коммутацией пакетов.

Как показывают последние исследования, трафик, проходящий по сетям связи, носит самоподобный характер, что накладывает определенные условия на исследование современных мультисервисных сетей. Исследованию самоподобных процессов, а также свойств самоподобия сетевого трафика посвящены работы иностранных авторов: Б.Б. Мандельброта, Н.Д. Георганаса, В.Е. Лиланда, Д.Р. Кокса, В. Виллингера, И. Норроса, а также отечественных авторов: А.Н. Колмогорова, Б. Цыбакова, О.И. Шелухина, С.М. Смольского, A.B. Осина и других.

В диссертации разработана методика анализа методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи. На базе предложенной методики разработан программный продукт, позволяющий исследовать влияние методов маршрутизации на характеристики функционирования мультисервисных сетей. С использованием разработанного программного продукта проведено исследование влияния методов маршрутизации на качество обслуживания в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях при передаче по ним самоподобного трафика. Даны рекомендации по применению методов маршрутизации в сетях связи.

Цель исследования: исследование методов маршрутизации для мульти-сервисных сетей связи, функционирующих в экстремальных условиях, при прохождении по ним самоподобного трафика.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

1 провести анализ существующих подходов к исследованию методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи;

2 разработать методику анализа методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях, при прохождении по ним самоподобного трафика;

3 разработать рекомендации по выбору наилучшего метода маршрутизации в мультисервисных сетях связи по критерию обеспечения максимума интегральной оценки качества обслуживания.

Объектом исследования являются мультисервисные сети связи.

Предметом исследования в работе является влияние процесса маршрутизации потоков самоподобного трафика на качество обслуживания в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях.

Методы исследования: для достижения поставленной цели и решения сформулированных в диссертационной работе задач использовались математические методы аппарата теории очередей, теории графов, а также методы имитационного моделирования.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается строгостью применяемого математического аппарата и результатами имитационного моделирования, а также положительными результатами апробации и внедрения.

Научная новизна работы. В диссертации:

1 разработана аналитическая модель служебной нагрузки, создаваемой различными методами маршрутизации, позволяющая выбрать наилучший метод маршрутизации при заданных условиях неопределенности на сети связи и объеме доступных сетевых ресурсов по критерию обеспечения максимума доступных ресурсов сети связи для передачи пользовательской информации;

2 разработана методика анализа методов маршрутизации в мультисер-висных сетях связи, учитывающая экстремальные условия функционирования сетей и прохождение по ним самоподобного трафика;

3 разработан метод проверки графа сети на связность, позволяющий существенно сократить использование ресурсов ПЭВМ для решения поставленной задачи;

4 разработаны рекомендации, позволяющие выбрать наилучший метод маршрутизации по критерию обеспечения максимума интегральной оценки качества обслуживания.

Теоретическое значение диссертации. Разработанная методика позволяет количественно оценить уровень качества обслуживания в мультисер-висных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях. Методика анализа является общей для любого из рассматриваемых в работе методов маршрутизации, а также для существующих сетевых технологий. Конкретизация предложенных методов позволяет применять их при анализе протоколов маршрутизации.

В диссертации даны рекомендации по выбору и применению наилучшего метода маршрутизации по критерию обеспечения максимума интегральной оценки качества обслуживания, а также заложены основы для разработки потоковых методов маршрутизации.

Практическая значимость исследования заключается в следующем:

1. Разработаны методика анализа методов маршрутизации в мультисер-висных сетях связи и программный продукт, позволяющий проводить исследования влияния методов маршрутизации на качество обслуживания в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях при прохождении по ним самоподобного трафика.

2. Разработанный программный продукт проверки телекоммуникационной сети на связность включен в отраслевой фонд алгоритмов и программ при Министерстве образования Российской Федерации (извещение о государственной регистрации в Информационно-библиотечном фонде Российской Федерации разработки, предъявляемой в отраслевой фонд алгоритмов и программ от 28.02.2003 № 50200300153).

3. Разработанный программный продукт анализа методов маршрутизации в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания (Ш-ЦСИО) включен в отраслевой фонд алгоритмов и программ при Министерстве образования Российской Федерации (извещение о государственной регистрации в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов» разработки, предъявленной в отраслевой фонд алгоритмов и программ от 18.10.2004 № 50200401220).

4. Разработанный в диссертации программный продукт «№1Мос1е1» внедрен в учебные дисциплины ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», а именно в лекционные курсы по дисциплине «Современные информационные технологии» (Акт внедрения от 07.09.2009).

5. Разработанный программный продукт «Ые1Мос1е1», а также методика исследования методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи и способ проверки телекоммуникационной системы на связность используются на предприятиях связи: ООО «АйТиЭс-Интеграция» (Акт внедрения от 18.08.2009 № 116/01), ООО «Сибирские сети» (Акт внедрения от 23.07.2009 № 231).

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и региональных конференциях, в том числе:

Международной научной конференции «81ЬСоп-2003», «8ШСоп-2005», «81ЬСоп-2007» (г. Томск, 2003, 2005, 2007 гг.);

Всероссийской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (г. Новосибирск, 2007, 2008 гг.).

X Международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей» (г. Новосибирск, 2008 г.);

Международной научно-практической конференции «Инновационная экономика и промышленная политика региона (ЭКОПРОМ-2009)» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.).

Публикации по теме исследования. Всего по теме диссертации написано и опубликовано 17 работ, в том числе 2 работы в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.

Личный вклад. В диссертации использованы результаты, в которых автору принадлежит определяющая роль. Некоторые из опубликованных работ написаны в соавторстве с сотрудниками научной группы, где диссертант принимал участие в непосредственной разработке методик анализа, моделей, программного обеспечения. Постановка задачи исследований осуществлялась научным руководителем, к.т.н., доцентом С.Н. Новиковым.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 105 страниц основного текста и включает: 29 рисунков, 18 таблиц, список использованной литературы из 55 наименований и 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Буров, Артем Анатольевич

4.6 Выводы

1. Рассмотрены особенности потоковой маршрутизации.

2. Показан выигрыш в производительности сетевых элементов при использовании потоковой маршрутизации.

3. Проведено исследование потоковой машрутизации в мультисервис-ных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях, при прохождении по ним самоподобного трафика. Результаты исследования показали, что применение потоковой маршрутизации позволяется добиться выполнения требований по качеству обслуживания при меньших объемах доступных сетевых ресурсов и большем объеме служебной нагрузке.

4. Даны рекомендации по применению методов маршрутизации в муль-тисервисных сетях связи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе решения поставленных в диссертационной работе задач получены следующие результаты:

1 проанализированы существующие подходы к исследованию методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи, определены основные недостатки этих подходов;

2 разработана модель служебной нагрузки, возникающей в результате функционирования методов маршрутизации на сетях связи, предложены расчетные соотношения для количественного определения объемов служебной нагрузки, проведен обобщенный анализ влияния различных методов маршрутизации на объем доступных сетевых ресурсов в экстремальных условиях;

3 разработана математическая модель, описывающая элементы мультисервисных сетей связи, проходящие по ней потоки информации, а также механизм маршрутизации на сети связи;

4 разработан метод проверки графа сети на связность, существенно сокращающий использование ресурсов ПЭВМ при проведении исследований, получена оценка минимального числа итераций метода;

5 разработана методика исследования методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи, учитывающая экстремальный характер функционирования сетей связи и самоподобный трафик;

6 разработано специализированное программное обеспечение «NetModel» для анализа мультисервисных сетей связи в соответствии с разработанной методикой;

7 разработаны рекомендации по выбору метода маршрутизации в мультисервисных сетях связи при заданных экстремальных условиях.

Полученные результаты работы имеют практическую ценность и вносят определенный вклад в теорию построения телекоммуникационных систем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Буров, Артем Анатольевич, 2009 год

1. А. Карабуто. Intel Developer Forum, февраль 2003: итоговый обзор. http://www.ferra.ru/online/system/s24500/page-1.

2. В.М. Вишневский. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. Москва: Техносфера, 2003. — 512 с.

3. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передач данных: Пер. с англ. — М.: Мир. 1989. - 544 с.

4. Wu Т. Н. Fiber Network Service Survivability. - Artech House, 1992.

5. Дэвис Д., Барбер Д., Прайс У., Соломонидес С. Вычислительные сети и сетевые протоколы: Пер. с англ. М.: Мир, 1981. - 563 с.

6. Клейнрок Л. Коммуникационные сети: Пер. с англ. — М.: Наука, 1975. -256 с.

7. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями: Пер. с англ. — М.: Мир, 1979.-600 с.

8. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. Пер. с англ./Пер. И.И. Грушко; ред. В.И. Нейман. М.: Машиностроение, 1979. - 432 е., ил.

9. Мизин И.А., Богатырев В.А., Кулешов А.П. Сети коммутации пакетов. М.: Радио и связь, 1986. - 408 с.

10. Ю.Шварц М. Сети ЭВМ. Анализ и проектирование: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1981. - 336 с.

11. С.Н. Новиков. Методы маршрутизации на цифровых широкополосных сетях связи: 4.1 / Учебное пособие. — Новосибирск: СибГУТИ2000.-84с.: ил.

12. Б.Л. Сатовский. MPLS технология маршрутизации для нового поколения сетей общего пользования. Сети и системы связи № 3 (март)2001.

13. М.П. Березко, В.М. Вишневский, Е.В. Левнер, Е.В. Федотов. Математические модели исследования маршрутизации в сетях передачи данных. Информационные процессы, Том 1, № 2, 2001, стр. 103 — 125.

14. Jackson J.R. Networks of Waiting Lines. Operations Research, 1957, no. 5, pp. 518-521.

15. Fratta L., Gerla M., Kleinrock L. The Flow Deviation Method: An Approach to Store-and-Forward Communication Network Design. Networks, 1973, vol. 3, no. 2, pp. 97-133.

16. Cantor D.G., Gerla M., Optimal Routing in a Packet-Switched Computer Networks. IEEE Trans. Computers., 1974, vol. C-23, no. 10, pp. 10621068.

17. Schwartz M., Cheung C.K., The Gradient Projection Algorithm for Multiple Routing in Message-Switched Networks. IEEE Trans., Commun., 1976, vol. COM-24, no. 4, pp. 449-456.

18. Frank M., Wolfe P., An Algorithm for Quadratic Programming. Naval Research Logistic Quarterly, 1956, no.3, pp. 95-110.

19. Новиков С.Н., Буров А.А. Анализ методов маршрутизации в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания (Ш-ЦСИО). -М.: ВНТИЦ, 2004. №50200401220.

20. Новиков С.Н., Буров А.А. Метод проверки телекоммуникационной системы на связность. М.: ВНТИЦ, 2003. - №50200300153.

21. Новиков С.Н., Буров А.А. Анализ методов маршрутизации в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания (Ш-ЦСИО). // Компьютерные учебные программы и инновации. 2004, № 6. С. 13.

22. Novikov S.N., Burov A.A. Modeling of the Routing Process Occurring in Communication Networks with Guaranteed Quality of Service. // The IEEESiberian Conference on Control and Communications, SIBCON-2003 2003, Tomsk, 2003, p. 32-35.

23. В.Г. Олифер, H.A. Олифер. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 2-е изд. СПб.: Питер, 2003. -864 е.: ил.

24. Новиков С.Н., Сафонов Е.В. Методы оценки структурной надежности телекоммуникационных систем: Учебное пособие / Методический комплекс Новосибирск: Новосибирск: 2003. — 44 с.

25. Novikov S.N., Burov А.А. A Analysis of probability-time characteristics of a telecommunication networks. // The IEEE International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON-2005 Tomsk, 2005, p. 26-29.

26. Крылов B.B., Самохвалова С.С. Теория телетрафика и ее приложения.- СПб.: БХВ-Петербург, 2005.

27. Э.В. Афонцев. Статистические свойства Интернет трафика. http://www.nag.ru/goodies/articles/sst/sst.html.

28. Ильницкий C.B. Самоподобный (self-similar) входной поток в системах М/М/1 и G/M/1. www.teletraffic.ru/public/pdi7IlnickisMMl2004.pdf.

29. В. Tsybakov, N.D. Georganas. Self-similar processes in communication networks. http://pi.314159.ru/tsybakovl.pdf.31 .Пономарев Д.Ю. Об обслуживании в системе с входным гамма потоком. http://www.sbras.ru/ws/YM2004/8510/.

30. Пономарев Д.Ю. Исследование моделей телекоммуникационных систем с непуассоновскими входными потоками // Проблемы информатизации региона. ПИР-2001: Сборник научных трудов. Красноярск: ИПЦ КГТУ. - 2002. - С. 145-152.

31. Пономарев Д.Ю. Исследование моделей потоков вызовов. http://www.nsc.ru/wsAnVI2004/8509/index.htmI

32. Семенов. Телекоммуникационные технологии. http://book.itep.ru/1 /intro 1 .htm.

33. Н. Elagha, М. AlShafee. On the Self-Similar Nature of ATM Network Traffic. Issues in Informing Science and Information Technology. Volume 4, 2007.

34. W.E. Leland, M.S. Taqqu, W. Willinger, D.V. Wilson. On the Self-Similar Nature of Ethernet Traffic. IEEE/ACM Transactions on networking, vol. 2, no. 1, February 1994.

35. O.I. Sheluhin, S.M. Smolskiy, A.V. Osin. Self-similar processes in telecommunications. John Willey and Sons Ltd., 2007.

36. ЗБ.Крук Б.И., Попантонопуло B.H., Шувалов В.П. Телекоммуникационные системы и сети. Т.1: Учеб. пособие. — Новосибирск: Сиб. предприятие «Наука» РАН, 1998. 536 с.

37. А.А. Боровков. Математическая статистика. — Учебник. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. — 472 с.

38. С.Н. Новиков. Методы маршрутизации на цифровых широкополосных сетях связи: 4.2 / Учебное пособие. — Новосибирск: СибГУТИ 2004.-59 е.: ил.

39. D. Tipper, J. L. Hammond, S. Sharma, A. Khetan, K. Balakrishnan, and S. Menon. An Analysis of the Congestion Effects of Link Failures in Wide Area Networks. IEEE Journal Selected Areas in Comm., vol. 12, pp. 179 -192, January 1994.

40. V. R. Saksena. Topological Analysis of Packet Networks. IEEE Journal Selected Areas in Comm., vol. 7, pp. 1243 1252, October 1989.

41. J. F. Kurose and H. T. Mouftah. Computer-Aided Modeling, Analysis, and Design of Communication Networks. IEEE Journal Selected Areas in Comm., vol. 6, pp. 130 145, January 1988.

42. Н. Kobayashi and A. G. Konheim. Queueing Models for Computer Communications System Analysis. IEEE Trans. Communications, vol. COM-25, pp. 2 29, January 1977.

43. К. M. Al-Tawil, M. Abd-El-Barr, and F. Ashraf. A survey and comparison of wormhole routing techniques in a mesh networks. IEEE Network, vol. 11, pp. 38 45, March/April 1997.

44. N. F. Maxemchuk and S. H. Low. Active routing. IEEE Journal Selected Areas in Comm., vol. 19, pp. 552 565, March 2001.

45. J. Chen, P. Druschel, and D. Subramanian. A new approach to routing with dynamic metrics. Proc. IEEE INFOCOM, 1999, pp. 661 670, March 1999.

46. S. Nelakuditi, Z. Zhang, and R. P. Tsang. Adaptive proportional routing: A localized QoS routing approach. Proc. IEEE INFOCOM, 2000, pp. 1566 -1575, March 2000.

47. Приказ Мининформсвязи России от 27.09.2007 № 113 «Об утверждении Требований к организационно-техническому обеспечению устойчивого функционирования сети связи общего пользования».

48. Производительность маршрутизаторов Cisco. Заглавие с экрана. Электронный ресурс http://www.netcube.ru/support/cisco/routerperfonnance.51 .Электронный ресурс Switch performance.http://www.cisco.com/web/partners/tools/quickreference/index.html.

49. Коммутация уровня 3. Заглавие с экрана. Электронный ресурс http://www.intel.com/cd/network/connectivity/emea/rus/technologies/layer 3s witching/164891 .htm.

50. Новиков С.Н., Гольник А.Н. Анализ живучести сетей связи (реклам-но-техническое описание). ФАП РФ номер per. № 1534 от 2002 г.

51. Новиков С.Н., Куцева Т.В. Расчет структурной надежности сети связи // Труды учебных институтов связи / Л. 1987. - С. 99 — 102.

52. Новиков С.Н., Буров A.A. Метод проверки телекоммуникационной системы на связность. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки от 27.03.2003 № 2377.