Методика динамического управления загрузкой канала связи в корпоративных сетях с гарантированной доставкой данных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.17, кандидат технических наук Паяин, Семен Владимирович

• Паяин, Семен Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Паяин, Семен Владимирович

Введение

1. Обзор подходов управления телекоммуникационными системами и методов моделирования "

1.1 Управление трафиком в компьютерных еетях

1.2 Управление информационными потоками путем прогнозирование пропускной способности в сетях

1.3 Самоподобный трафик компьютерных сетей 31 1.4. Математические модели динамических управляемых систем 40 Выводы >

2. Методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях с узким каналом связи

2.1. Описание исследуемой сети

2.2 Эмпирическая гистограмма загрузки выходного канала сети

2.3 Классы трафика

2.4 Схема получения статистических данных

2.5 Задача динамического управления загрузкой канала связи

2.6 Экспериментальный стенд

2.7 Методика проведения экспериментальных исследований 71 Выводы

3. Моделирование динамики изменения трафика на основе построения групп симметрии

3.1. Построение идентифицируемых моделей на основе геометрического анализа реконструированного аттрактора

3.2. Выявление симметрий в реконструированном аттракторе

3.3. Построение идентифицируемой модели , 84 3.4.Моделирование поведения трафика в управляемом переходном1 режиме 88 Выводы

4. Методика управления динамическим разделением загрузки в узком выходном канале связи корпоративных сетей, в условиях заданных ограничений

4.1 Алгоритм управления

4.2 Методика управления динамическим разделением загрузки каналов в корпоративных сетях

4.3 Оценка эффективности

4.4 Область эффективного использования 101 Выводы 102 Заключение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика динамического управления загрузкой канала связи в корпоративных сетях с гарантированной доставкой данных»

Актуальность темы

Современные корпоративные компьютерные сети, построенные на IP-протоколах, используются не только для классической передачи данных, но и для обмена речевой информацией, проведения мультимедийных конференций, оперативного контроля/управления, прослушивания * музыкальных записей, просмотра видеоклипов, сетевых игр и других приложений реального времени. Для телекоммуникационных систем характерна следующая ситуация. С одной стороны — создается большое количество приложений, направленных на расширение области и средств общения и обмена информации, с другой — технологии передачи данных используют протоколы, не предназначенные для гарантированной передачи данных в системах реального времени. В этой ситуации часто возникают перегрузка очередей каналов связи, а таюке парализация сети из-за большого количества подключений к системам реального времени.

При перегрузке канала связи пакеты помещаются в очереди, в случае переполнения очереди пакеты отбрасываются, что приводит к замедлению скорости передачи пакетов протоколом TCP/IP и потере пакетов.

Особенностью корпоративных сетей является отсутствие реальных возможностей создания новых протоколов работы сети при работе с внешней сетью и их аппаратной реализаций.

Чтобы добиться гарантии качества обслуживания от сетей, изначально на это не ориентированных, применяют QoS-архитектуру (Quality of service), которая включает в себя поддержку качества на всех уровнях стека протоколов TCP/IP и во всех сетевых элементах. Но и при этом обеспечение гарантированного качества обслуживания все равно остается самым слабым местом процесса передачи информации от источника к приемнику, т. к. QoS-архитектура представляет собой систему разделения трафика на статические, заранее определяемые классы с фиксированными приоритетами, что не даёт возможности учитывать конкретную'ситуацию в данный момент времени.

Для эффективного использования статического назначения и выбора приоритетов необходимо использовать точные оценки параметров сети, что для общего случая является практически не решаемой задачей. Работы в области моделирования трафика и его характеристик велись и ведутся весьма интенсивно как отечественными (Морозов Е.В. [38], Шелухин О. И. [69], Городецкий А. Я. [14], Вишневский В. М. [12]), так и зарубежными учеными (М. Кровелл [85], А. Беставрос [86], Дж. Парк [71]). Тем не менее, многие вопросы здесь либо исследованы недостаточно полно, либо ориентированы на решение относительно узких прикладных задач, существующие модели не учитывают изменения количества подключенных пользователей к системе реального времени, т.е. реальную динамику загрузки сети.

Один из современных подходов строится на предположении фрактальности структуры трафика, но он используется совместно с методами теории массового обслуживания и не ориентирован на реальные прикладные вопросы динамического управления корпоративными сетями.

Таким образом, разработка моделей и алгориъмов управления динамическим разделением загрузки каналов в корпоративных сетях является актуальной задачей. Цель исследования

Разработка методики для обеспечения гарантированной доставки пакетов в узком канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений.

Основные задачи исследования

1. Обзор подходов к управлению сетями передачи данных и методов моделирования телекоммуникационных процессов.

2. Постановка задачи, учитывающая особенности корпоративных сетей с узким каналом подключения.

3. Планирование эксперимента с учетом выбора схемы сетевой структуры, объема данных и разделения трафика на классы, для последующего сбора статистических данных.

4. Обоснование выбора метода моделирования трафика.

5. Идентификация математических моделей сети в переходном процессе и режиме нормального функционирования.

6. Разработка алгоритма диспетчеризации внешнего канала с динамически изменяющимися параметрами корпоративной сети на основе моделей и характеристик интенсивности трафика.

7. Разработка методики управления динамическим разделением загрузки каналов в корпоративных сетях.

8. Внедрение и анализ результатов.

9. Выявление области эффективного применения. Объект исследования

Корпоративные сети с ярко выраженным превалированием скорости передачи по внутренним каналам связи над скоростью передачи по выходному каналу.

Предмет исследования

Методы моделирования трафика и архитектура обеспечения гарантированного качества управления в компьютерных сетях.

Методы исследования

В работе используются методы теоретической информатики, теории алгоритмов, математической теории управления, качественной теории нелинейной динамики и современные информационнотелекоммуникационные технологии.

Научная новизна исследования

1. Разработана методика управления динамическим разделением загрузки в узком выходном канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений.

2. Разработан алгоритм диспетчеризации внешнего канала с динамически изменяющимися параметрами корпоративной сети на основе моделей, учитывающих динамические характеристики интенсивности трафика.

3. Сформулирована методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях с узким выходным каналом.

Практическая ценность

Результаты диссертации использованы при выполнении НИР по гранту РФФИ, проект № 08-07-00433а «Построение динамических моделей управления распределением загрузки каналов связи в вычислительных сетях».

Реализация результатов работы

Результаты работы использованы для построения динамических моделей управления загрузкой каналов связи в вычислительных сетях Московского государственного университета печати. Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на 5-и научных конференциях и семинарах:

- 9-й Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (г. Кемерово, 2008);

- 9-й Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» ( Казань, КГТУ, 2008);

- II Школе—семинаре молодых ученых «Задачи системного анализа, управления и обработки информации» (Москва, декабрь, 2008);

- 15-й Международной научно-технической конференции «Информационные технологии исистемы» (Нижний Новгород, апрель, 2009);

- Регулярном научно-методическом семинаре кафедры прикладной математики и моделирования систем Московского государственного университета печати.

Результаты проведенных исследований подробно изложены в четырёх главах.

В первой главе проводится обзор подходов к управлению сетями передачи данных и методов моделирования телекоммуникационных процессов с целью формализации постановки задачи и обоснованного выбора методов и технологий ее решений. Проведен анализ методов управления телекоммуникационными сетями, направленных на обеспечение необходимой пропускной способности. Рассмотрены вопросы формирования и управления очередями в сетях передачи- данных. Показывается необходимость прогнозирования. Все известные решения заключается втом, что данные прогноза о пропускной способности позволяют получить дополнительные сведения для решения задачи управления, а именно формирования алгоритма предотвращения перегрузки. Проведен анализ публикаций по моделированию трафика на основании экспериментальных данных. Выделены группы методов, построенных в предположении о фрактальной структуре трафика

Показано, что используемые модели направлены на поиск оценок вероятностных характеристик, что не учитывает аппаратную реализацию в корпоративных сетях с внешнем переменным количеством подключенных пользователей к системе реального времени. 7 i I

Рассмотрены особенности идентификации динамических управляемых систем, используемые в классической математической теории управления.

Сформулирована задача создания методики управления динамическим разделением загрузки каналов в корпоративных сетях. В качестве базовых методов решения выбраны методы теории управления и качественной теории нелинейных систем.

Во второй главе описана методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях, сформирована схема эксперимента для получения параметров сети с внешним узким каналом связи.

На основе данных о загрузке Интернет канала, полученных в ходе мониторинга работы сети МГУП за каждый* месяц, измеренных в течении года, была построена эмпирическая гистограмма частот загрузки канала показано, что1 наблюдаемое распределение вероятностей не согласуется с распределением Пуассона. Гистограммы частот загрузки канала, полученные для*других корпоративных сетей, также обладают,тяжеловесными хвостами свидетельствующие о наличии пиковых моментов загрузки сети, в которые происходит сильное увеличение задержек и потеря информации.

Сделан вывод, что в рассматриваемой задаче теория массового обслуживания, применяемая для управления сетями передачи данных, не гарантирует эффективное достижение поставленной цели.

Произведено разделение всей передаваемой информации на три типа трафика по уровню необходимого качества обслуживания. Предложен способ получения экспериментальных данных для анализа и его программно-аппаратная реализация.

Сформулирована задача динамического управления загрузкой канала связи. Содержательно задача состоит в динамическом разделении канала связи, таким образом, чтобы первый класс трафика передавать в заданном объеме; критичный (второй) — передавать без потерь, а не критичный (третий) — с наименьшими потерями.

Для проверки методов управления описывается созданный экспериментальный стенд. Описывается разработанная методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях с узким каналом.

Третья глава посвящена построению математических моделей динамики трафика на основе использования качественной теории нелинейных систем. Приведены модели в режиме нормального функционирования и переходном процессе (при изменении пропускной способности).

Одно из современных и перспективных направлений моделирования заключается в поиске групп симметрий. Для реконструкции моделей по восстановленному аттрактору использованы симметрические свойства решений дифференциальных уравнений. Наличие симметрий в трафике показано в диссертации О. В. Козлова [27]. Получены модели и проведена оценка адекватности по среднеквадратичному критерию. Полученные значения (64% - для хаотической системы в режиме нормального функционирования, 72% - в переходном режиме) свидетельствуют о их применимости для реализации динамического управления.

В четвёртой главе изложен разработанный алгоритм управления пропускной способностью, обеспечивающий повышение надежности передачи и обработки информации; разработана методика управления динамическим разделением загрузки в узком выходном канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений и приведены оценки' эффективности; определены области использования.

Разработан алгоритм диспетчеризации внешнего канала с динамически изменяющимися параметрами корпоративной сети на основе моделей, учитывающих динамические характеристики интенсивности трафика.

Описана сформированная методика управления динамическим разделением загрузки в узком выходном канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений.

Приводится оценка эффективности предложенной методики управления по сравнению со стандартными подходами. Показано, что наиболее эффективное решение, дает предложенный алгоритм.

Выявлена область эффективного использования предложенной методики динамического управления.

В заключении приводятся основные выводы и результаты работы.

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы информатики», Паяин, Семен Владимирович

Выводы

1. Разработан алгоритм управления пропускной способностью, обеспечивающий повышение надежности передачи и обработки информации, основанный на динамического изменения гарантированной пропускной способности трафика разных типов.

2. Сформирована методика управления динамическим разделением загрузки каналов в корпоративных сетях.

3. Произведена оценка эффективности, показывающая что предложенный алгоритм дает наиболее эффективное решение в смысле критерия управления.

4. Определены области эффективного использования предложенной методики динамического управления.

Заключение

Проведенное исследование позволило получить следующие результаты:

1. Проведен обзор подходов к управлению сетями передачи данных и методов моделирования телекоммуникационных процессов. Определена основная особенность области исследования: переменное число подключенных пользователей к системе реального времени в корпоративной сети.

2. Сформулирована задача улучшения качества обслуживания для корпоративных сетей с узким каналом подключения.

3. Проведено планирование эксперимента в соответствии с разработанной схемой программно-аппаратной реализации.

4. Разработана методика проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа данных в распределенных корпоративных сетях с узким каналом.

5. Выбраны и идентифицированы модели, адекватные исследуемому процессу.

6. Разработан алгоритм диспетчеризации внешнего канала с динамически изменяющимися параметрами корпоративной сети на основе моделей и характеристик интенсивности трафика.

7. Разработана методика управления динамическим разделением загрузки в узком канале связи корпоративных сетей при использовании взвешенного справедливого обслуживания трафика, на основе динамического изменения приоритетов в условиях заданных ограничений.

8. Проведен анализ результатов реализации и выявлены области эффективного применения.

9. Результаты диссертации использованы при выполнении НИР по гранту РФФИ, проект № 08-07-0043За.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Паяин, Семен Владимирович, 2009 год

1. Аграчеев А. А., Сачков Ю. JI. Геометрическая теория управления. — М.: Физматлит, 2005.

2. Аминова И. В. Моделирование сетей обслуживания методом слабой регенерации, канд.диссертации. -ПетрГУ, Петрозаводск, 2003. —124 с.

3. Анкудинов Г. И., Стрижаченко А.И. Сети ЭВМ и телекоммуникации. Архитектура и сетевые технологии: Учебное пособие. — СПб.: Изд-во СЗТУ, 2006. — 180 с.

4. Анищенко В. С., Астахов В. В., Вадивасова Т. Е. и др. Нелинейные эффекты в хаотических и стохастических системах / Под ред. В. С. Анищенко. Пер. с англ. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003.

5. Белый А. В., Морозов Е. В. О некоторых подходах к регенеративному моделированию сетей обслуживания // Журнал "Обозрение прикладной и промышленной математики",Редакция журнала "ОПиПМ", Москва, 2004, т. 11, вып.З, 619-620.

6. Брейман А. Д. Сети ЭВМ и телекоммуникации. Глобальные сети: Учебное пособие. — М.: МГУПИ, 2006. — 116 с.

7. Блох Э. Л., Попов О. В., Турин В. Я. Модели источника ошибок в каналах передачи цифровой информации. —М.: «Связь», 1971 —312 с.

8. Ванахович Г. Ф., Чуприн В. М. Сети передачи пакетных данных. — М.: МК-Пресс, 2006. — 272 с.

9. Винарский М. С., Лурье М. В. Планирование эксперимента втехнических исследованиях.— Киев: Технпса, 1975.

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

11. Гольдштейн В. С., Пинчук А. В., СуховицкийА. JI. IP-Телефония. — М.: Радио и связь, 2001. — 336с

12. Городецкий А. Я. Информационные системы. Вероятностные модели и статистические решения. Учеб. пособие. — СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. —326 с.

13. Городецкий А. Я., Заборовский В. С. Информатика. Фрактальные процессы в компьютерных сетях Учеб. пособие. — СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000, — 102 с.

14. Громов Ю. Ю., Земской Н. А., Иванова О. Г., Лагутин А. В., Тютюнник В. М. Фрактальный анализ и процессы в компьютерных сетях: Учеб. пособие. — Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. — 108 с.

15. Данилов Ю. А. Лекции по нелинейной динамике. Элементарное введение. — М.: Постмаркет, 2001. — 184 с.

16. Дейч А. М. Методы идентификации динамических объектов. — М.: Энергия, 1979.

17. Джонатан Дэвидсон, Джеймс Питере Основы передачи голосовых данных по сетям IP — М.: Вильяме 2007 —- 400с.

18. Долгов В .А. Под знаком качества //"Компьютерная Телефония" 2001 №1, с. 27-30

19. Дудников Е. Т., Балакирев В. С., Кривсунов В. П., Цирлин А .М. Построение математических моделей химико-технологических объектов. — М.: Химия, 1981.

20. Заборовский В. С. Методы и средства исследования процессов в высокоскоростных компьютерных сетях: Дисс. д-ра техн. наук: 05.13.01 Управление в технических системах / СПб.: ЦНИИ РТК, 1999.—268 с.

21. Иванов А. В. Разработка и исследование алгоритмов прогнозирования и управления очередями в компьютерных сетях: автореферат. — СПб.: 2001.

22. Иглин С. П. Математические расчёты на базе MATLAB. — БХВ, 2005, Санкт-Петербург, Россия, 640 с.

23. Иглин С. П. Теория вероятностей и математическая статистика на базе MATLAB.— Издательство НТУ "ХПИ", 2006, Харьков, Украина — 612 с.

24. Каток А. Б., Хассельблат Б. Введение в современную теорию динамических систем. Пер. с англ. М.: Факториал УРСС, 1999.

25. Козлов О. В. Методика эволюционного выявления преобразований симметрий в многомерных числовых последовательностях // Дис. на соискание звания к. т. н. по специальности 05.13.17. —М.: МГУП, 2008. — 127 с.

26. Козлов О. В. Методика определения симметрий фазовых траекторий динамических систем // Вестник МГУП. — 2007. № 3.— С.40-46.

27. Кроу К., Гамилец А., Хоффман Т. и др. Математическое моделирование химических производств. — М.: Мир, 1973.

28. Крук Б. И., Попантонопуло В. Н., Шувалов В. П. Телекоммуникационные системы и сети: В 3 т. Т.1: Современные технологии: — Учебное пособие Горячая линия — Телеком —• 647с

29. Кучерявый А. Е. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет — Наука и техника 2004 — 336с

30. Ли Т. Г., Адаме Г. Э., Гейнэ Ч. М. Управление, процессами с помощью ЭВМ. Моделирование и оптимизация. — М.: Сов. радио, 1972.

31. Ли Р. Оптимальные оценки, определение характеристик и управление. — М.: Наука, 1966.

32. Лисиенко В. Г. Принципы построения трехуровневых АСУ ТП объектов с распределенными параметрами на примере АСУ нагревом металла. —Екатеринбург: УГТУ, 1999. —73 с.

33. Мак-Ферсон Д., Хелеби С. Принципы маршрутизации в Internet — Вильяме, 2001 —448с

34. Морозов А. Д. Введение в теорию фракталов Институт компьютерных исследований -Москва-Ижевск 2002 — 160с

35. Морозов В. А. Линейные и нелинейные некорректные задачи // Сб. Математический анализ. Т. П. — М.: Изд-во ВИНИТИ, 1973.

36. Музыкин С. Н., Родионова Ю. М. Моделирование систем.— М.: МГАПИ, 2004.

37. Налимов В. В. Теория эксперимента. — М.: Наука, 1971.

38. Нейман В. И. Самоподобные процессы и их применение в теории телетрафика // Труды MAC. 1999, №1(9), с. 11-15.

39. Никульчев Е. В. Моделирование систем с нелинейной динамикой на основании экспериментальных данных // Мехатроника, автоматизация, управление. 2006. №5. С.6-14.

40. Никульчев Е. В. Геометрический метод реконструкции систем по экспериментальным данным// Письма в Журнал технической физики. 2007. Т. 33. Вып. 6. С. 83-89.

41. Никульчев Е. В. Геометрический подход к моделированию нелинейных систем по эксперименталным данным: монография. М.: МГУП, 2007.- 162 с.46