Модели и методы анализа состояния нелинейных процессов в файлообменных компьютерных сетях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, доктор наук Кононова Александра Игоревна

• Кононова Александра Игоревна
• доктор наук
• 2021

Оглавление диссертации доктор наук Кононова Александра Игоревна

Введение

Глава 1. Аналитический обзор современных методов и средств реализации глобальных сетей

1.1. Архитектура и топология компьютерных сетей

1.2. Инструменты интерактивного исследовании планарных нелинейных динамических систем

1.3. Моделирование роста сетей с помощью случайно порождённых графов

Выводы по главе

Глава 2. Экспериментальное исследование эволюции раздачи в пиринговой сети

2.1. Исследование эволюции раздачи

2.2. Анализ фазовых траекторий эволюции раздач

2.3. Жизненный цикл раздачи

Выводы по главе

Глава 3. Динамическая модель эволюции раздачи

3.1. Построение уравнений динамической модели

3.2. Особые точки ДМЭР

3.3. Динамика вблизи особых точек ДМЭР

3.4. Фазовый портрет предельных случаев ДМЭР

3.5. Фазовый портрет полной ДМЭР

3.6. Управление раздачей

Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальное исследование эволюции торрент-треке-

ра

4.1. Выбор фазовых переменных

4.2. Развитие экосистемы торрент-трекеров

4.3. Изменение фазовых переменных

4.4. Гигантский торрент-трекер

4.5. Крупный торрент-трекер

4.6. Средний торрент-трекер

4.7. Малый торрент-трекер

4.8. Малый прекративший существование торрент-трекер

Выводы по главе

Глава 5. Динамическая модель эволюции торрент-трекера

5.1. Построение уравнений динамической модели

5.2. Жёсткая модель неограниченного роста торрент-трекера

5.3. Логистическая модель эволюции торрент-трекера (ДМЭТ)

5.4. Гипотетическая оценка количества активных раздач

Выводы по главе

Глава 6. Структурная модель роста пиринговой сети

6.1. Экспериментальное измерение распределения длин путей сетевого уровня в В11Тоггеп1;-сетях

6.2. Имитационное моделирование роста пиринговой сети

6.3. Возможные пути предотвращения потери связности пирингового графа

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А. Акты внедрения диссертационной работы

Приложение Б. Фрагменты программного кода

Б.1. Экспериментальное исследование эволюции раздач

Б.2. ЭИ РДП от текущего узла как корневого

Б.3. Программная реализация СМР

Приложение В. Результаты экспериментального исследования эволюции раздач в пиринговой сети

Приложение Г. Результаты экспериментального исследования распределения длин путей передачи данных сетевого уровня в глобальной сети

Г.1. Распределение полных длин путей (ненорм(ж) от корневого узла

(А, Н или М) до оконечных

Г.2. Распределение длин путей (ненорм(х) от корневого узла (А, Н

или М) до оконечных без подсети провайдера

Приложение Д. Результаты имитационного моделирования распределений длин путей в случайно порождённых графах различной структуры

Основные обозначения и сокращения

ДМЭР Динамическая модель эволюции раздачи в современной

файлообменной компьютерной сети ДМЭТ Динамическая модель эволюции эволюции торрент-трекера

файлообменной компьютерной сети КУОУ Корневой узел — оконечные узлы ОДУ Обыкновенные дифференциальные уравнения ПО Программное обеспечение

РДП Распределение длин путей в графе СМР Структурная модель роста сети

СМР КФ Структурная модель роста квазифрактальной сети, состоящей

из множества подсетей СМР М Структурная модель роста сети с ограничением максимальной степени узлов

СМР У Структурная модель роста сети с удалением узлов ЭИ РДП Экспериментальное исследование РДП сети

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели и методы анализа состояния нелинейных процессов в файлообменных компьютерных сетях»

Введение

Актуальность работы. Проблема моделирования и реализации компьютерной сети в настоящее время является достаточно актуальной.

Использование для реализации глобальных сетей концепции открытых нелинейных динамических систем позволит предсказать возможные проблемы, особенности и перспективы развития сети.

Исследованием нелинейных динамических систем занимались такие учёные, как А. Н. Колмогоров, В. И. Арнольд, Ю. С. Ильяшенко, С. П. Капица, И. Пригожин, Г. Хакен и др. Нелинейный характер уравнений потребовал привлечения качественных методов анализа (А. А. Андронов, Е. А. Леонтович), и, соответственно, топологической теории, а для разработки эффективных практических алгоритмов — численных методов и интерактивных алгоритмов обработки информации (Г. А. Леонов). Исследованием устойчивости нелинейных динамических систем в задачах механики занимались А. М. Ляпунов, Дж. Д. Биркгоф, Н. Е. Жуковский, В. Н. Рубановский и др. Их работы явились основополагающими при решении многих научно-технических проблем.

Вопросам моделирования сетей различной структуры посвящён ряд работ зарубежных специалистов, таких, как Gilbert E. N., Barabâsi A.-L., Albert R., Watts D. J., B. Bollobas, C. Borgs, T. Chayes, O.M. Riordan, Malarz K., Karpinska J., Kardas, A., Kulakowski, K., Easley, D., Kleinberg, J., Sun Kai, Ouyang Qi, Chengbo Dong, Srinivasa S., Haenggi M. Fronczak A., Fronczak P., Holyst J. A., Blondel V. D., Guillaume J.-L., Hendrickx J. M., Jungers R. M., Leao R. S. C., Barbosa V. C. и др.

Привлечение к решению этой задачи широкого круга специалистов и разнообразных методов для анализа поведения нелинейных динамических систем лишь подчёркивает нерешённость проблемы и позволяет уверенно говорить об актуальности выбранной темы диссертации.

Объект и предмет исследований

Объектом исследований являются файлообменные компьютерные сети (пиринговые сети) в частности, законы их построения и развития.

Предметом исследований являются модели, методы и алгоритмы исследования возможных путей развития таких сетей, в том числе их динамические модели и модели в виде случайно порождённых графов.

Проблемная ситуация определяется недостаточной функциональностью известных методик и программных средств моделирования глобальных

и 1 <•/

пиринговых сетей квазифрактальной структуры.

Целью диссертации является повышение точности оценивания асимметрии и эксцесса распределения длин путей сетевого уровня компьютерных сетей для увеличения скорости передачи данных.

Для достижения данной цели в работе решаются задачи:

- анализ существующих методов и средств реализации файлообменных компьютерных сетей;

- разработка динамической модели эволюции раздачи в современной фай-лообменной компьютерной сети (ДМЭР);

- разработка динамической модели эволюции торрент-трекера файлооб-менной компьютерной сети (ДМЭТ);

- разработка структурной модели роста квазифрактальной компьютерной сети (СМР КФ);

- сопоставление асимметрии и эксцесса распределения длин путей графа, выращенного по СМР КФ, с асимметрией и эксцессом экспериментально полученных оценок распределения длин путей в глобальной сети. Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследования составили системный анализ, качественная теория обыкновенных дифференциальных уравнений, теория графов, элементы теории вероятностей и математической статистики, методы имитационного моделирования.

Использованы методика информационного поиска, методы теоретического исследования и постановки эксперимента.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. На основе анализа процессов, влияющих на эволюцию раздачи, предложена ДМЭР, основанная на нелинейных динамических уравнениях.

2. На основе анализа факторов, влияющих на изменение характеристик торрент-трекера, предложена ДМЭТ, основанная на нелинейных динамических уравнениях.

3. Предложен метод оценивания распределения длин путей (РДП) по схеме корневой узел-оконечные узлы (метод КУОУ).

4. Впервые получены оценки характеристик РДП в глобальных пиринговых сетях, в частности, значения асимметрии и эксцесса.

5. Сформированы гипотезы об определяющем влиянии на асимметрию и эксцесс РДП:

- ограничения максимальной степени узлов сети;

- удаления части узлов в процессе роста сети;

- квазифрактальной структуры сети.

6. Разработаны структурные модели роста графов (СМР) на основе модифицированной модели Барабаши—Альберт с учётом сформированных гипотез:

- ограничения максимальной степени узлов (СМР М);

- удаления части узлов в процессе роста сети (СМР У);

- квазифрактальной структуры сети (СМР КФ). Достоверность новых научных результатов подтверждается соответствием результатов теоретического анализа полученным данным имитационного моделирования и экспериментального исследования.

Разработанная СМР КФ позволяет на 11% точнее оценивать асимметрию и эксцесс РДП в существующих глобальных пиринговых сетях.

Практическая значимость работы заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение предложенных моделей для исследования эволюции сетей, а также для разработки отказоустойчивых сетевых решений.

Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, моделей и программного обеспечения. Самостоятельное практическое значение имеют:

- динамическая модель эволюции раздачи в современной файлообменной пиринговой сети (ДМЭР);

- динамическая модель эволюции торрент-трекера файлообменной пиринговой сети (ДМЭТ);

- экспериментальное измерение распределения длин путей сетевого уровня в существующих глобальных пиринговых сетях (ЭИ РДП);

- структурная модель роста сетевого уровня на основе гипотезы о квазифрактальной структуре сети (СМР КФ) и алгоритм роста СМР КФ. Предложенные ДМЭР и ДМЭТ позволяют выработать рекомендации по

повышению устойчивости торрент-трекера. Разработанная модель СМР КФ на 11% лучше прогнозирует характеристики сетевого уровня глобальной сети, чем существующая модель Барабаши—Альберт. Более точный прогноз характеристик сети позволит разрабатывать более эффективные сетевые приложения.

Использование результатов ЭИ РДП позволяет повысить скорость передачи звука в пиринговых сетях в среднем в 1,5 раза по сравнению с существующими системами, что доказывается имитационным моделированием [92].

Работа являлась составной частью НИР «Визуализация эволюции нелинейных динамических систем в области управления техническими и синер-гетическими объектами на основе информационных технологий и методов» в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (шифр ГБ 7.1534.2011).

Практическая значимость подтверждена актами внедрения результатов диссертационной работы в учебном процессе МИЭТ, СмолГУ, а также АО НПЦ «ЭЛВИС» и Инженерном центре АО РСК «МиГ».

Личный вклад автора. Все основные результаты диссертационной работы получены автором лично. К ним относятся следующие.

1. Экспериментальное исследование динамики распространения файла в современной файлообменной пиринговой сети.

2. Динамическая модель эволюции раздачи в современной файлообменной пиринговой сети (ДМЭР);

3. Динамическая модель эволюции торрент-трекера файлообменной пиринговой сети (ДМЭТ);

4. Структурные модели роста сети и соответствующие алгоритмы роста с учётом различных гипотез:

- ограничения максимальной степени узлов (СМР М);

- удаления части узлов в процессе роста сети (СМР У);

- квазифрактальной структуры сети (СМР КФ).

Автор диссертации принимал непосредственное участие в проведении имитационного моделирования, в испытаниях и внедрении результатов диссертационных исследований. В работах в соавторстве автору принадлежит более 50% результатов.

Реализация полученных результатов. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-технических исследований института СПИНТех МИЭТ.

Все работы по программной реализации предложенных в работе моделей проводились под руководством или при непосредственном участии автора.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе МИЭТ в материалах курсов «Основы теории информации и кодирования» и «Системный анализ и математическое моделирование» (направление «Программная инженерия»).

В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные положения:

1. Разработанная ДМЭР является основой моделирования динамики распространения файла в файлообменной компьютерной сети с использованием аппарата ОДУ и качественного анализа в любой инструментальной среде.

Анализ ДМЭР позволяет сделать вывод об эффективности административных мер регулирования компьютерной сети — таймбонуса и обратной связи, а также о неэффективности учёта рейтинга.

2. Разработанная ДМЭТ является основой моделирования динамики увеличения общего количества узлов пиринговой сети с использованием аппарата ОДУ и качественного анализа в любой инструментальной среде. Анализ ДМЭТ позволяет сделать вывод о невозможности самоорганизации пиринговой сети с малым объёмом целевой аудитории и необходимости административной поддержки раздач узкоспециализированных трекеров.

3. Экспериментально полученные данные РДП в существующих глобальных пиринговых сетях имеют высокие значения асимметрии (3 — 6) и эксцесса (20 — 50), что позволяет сделать вывод о неприменимости для них существующих моделей роста, в том числе модели Барабаши—Альберт.

4. СМР является основой моделирования роста сети и формирования связей между узлами на базе различных гипотез с использованием имитационного моделирования в инструментальной среде С++/ОрепМР.

что показывает корректность СМР.

5. Результаты моделирования СМР на базе различных гипотез позволяют выделить квазифрактальность структуры сети как определяющий форму РДП фактор.

Результаты моделирования СМР на базе гипотезы о квазифрактальности структуры сети на 11% ближе к экспериментальным данным РДП, чем модель Барабаши—Альберт.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях.

1. Международная конференция разработчиков и пользователей свободного программного обеспечения «Linux Vacation / Eastern Europe», Белоруссия— 2012, 2013 (зимняя и летняя сессии), 2014, 2016, 2019.

2. Международная научная конференция «Системы компьютерной математики и их приложения», Смоленск — 2019, 2020.

3. IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (ElConRus), МИЭТ/ЛЭТИ — 2017, 2018, 2019, 2021.

4. Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике», МИЭТ — 2008, 2009, 2012, 2014.

5. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика», МИЭТ — 2002, 2010.

6. Конференция разработчиков свободных программ Базальт СПО, Калуга—2016.

7. Конференция «Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах», НЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», СПб — 2012.

8. Международная научно-практическая конференция «Теоретические и практические аспекты развития современной науки» — 2012.

9. Международная конференция «Системный синтез и прикладная синергетика», ТТИ ЮФУ — 2011.

10. Конференция «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения», ИПУ РАН — 2010.

11. Международная телекоммуникационная конференция студентов и молодых учёных «Молодёжь и наука», МИФИ — 2010.

12. Международная интернет-конференция «Актуальные вопросы современной науки», Таганрог — 2010.

Материалы диссертации опубликованы в 71 печатной работе, из них 15 статей в рецензируемых журналах [12, 13, 19, 20, 61, 62, 66, 70, 88, 9194, 97, 105, 106], 23 статей в сборниках трудов конференций, в том числе 3 индексируются в Scopus [15, 17, 18] и 14 тезисов докладов.

Автор диссертации является победителем Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области математических наук в рамках Всероссийского фестиваля науки по направлению «Оптимальное управление» и лауреатом Третьего Международного молодёжного промышленного форума «Инженеры будущего 2013» по номинации «Мой завод будущего».

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 6 глав, заключения и библиографии. Общий объём диссертации 269 страниц, из них 252 страниц текста, включая 96 рисунков. Библиография включает 134 наименования на 17 страницах.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, рассматривается структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.

В первой главе представлен аналитический обзор современных методов и средств реализации глобальных сетей, а также средств исследования планарных нелинейных динамических систем.

Результаты первой главы опубликованы в работах [68, 92].

Во второй главе рассматривается экспериментальное исследование эволюции раздач пиринговой файлообменной сети, работающей по протоколу ВкТоггеШ;.

Совокупность распространяемого файла, скачивающих и раздающих его пользователей, связывающей их пиринговой сети, площадки для получения информации для скачивания распространяемого файла в этой сети (торрент-файл) и обсуждения файла в дальнейшем объединяется понятием раздачи.

Сервер, хранящий торрент-файлы, регулирующий доступ к раздачам, осуществляющий координацию пользователей и предоставляющий площадки для обсуждения, далее будем называть торрент-трекером.

Выбраны фазовые переменные, описывающие состояние раздачи — количества сидеров (пользователей, имеющих полную копию распространяемого файла и представляющих доступ к нему) и личеров (пользователей, не имеющих полной копии файла и скачивающих его).

Описана методика экспериментального исследования эволюции раздач, приведены и проанализированы примеры фазовых траекторий, описывающих эволюцию раздачи во времени.

Определены факторы, влияющие на эволюцию раздачи. Описан жизненный цикл раздачи.

В третьей главе рассматривается разработка динамической модели эволюции раздачи, то есть распространения файла в пиринговой файлообменной сети.

В частности, определены факторы, влияющие на количество пользователей на раздаче, и составлены дифференциальные уравнения, представляющие собой динамическую модель распространение файла.

Проанализирован жизненный цикл одной раздачи (торрента), определена стадия, для которой параметры дифференциальных уравнений можно считать постоянными. Измерено фактическое количество пользователей на различных раздачах и изменение этой величины во времени.

Найдены особые точки динамической модели распространения файла, установлен их тип. Проанализирован фазовый портрет модели.

Исследована зависимость устойчивости раздачи от параметров модели и влияние на неё различных административных мер.

тъ •• ^

В четвертой главе рассматривается развитие эволюции торрент-трекера, то есть пиринговой файлообменной сети в совокупности.

Анализируется история существующих торрент-трекеров. Рассмотрены различные фазовые переменные, характеризующие текущее состояние трекера, и тенденции их взаимного изменения.

Выбраны фазовые переменные, описывающие состояние торрент-трекера — количества его пользователей и раздач.

В пятой главе рассматривается разработка динамической модели эволюции торрент-трекера, то есть пиринговой файлообменной сети в совокупности.

В частности, определены факторы, влияющие на количество пользователей и общее число раздач, составлены дифференциальные уравнения, представляющие собой динамическую модель развития трекера.

Найдены особые точки динамической модели развития трекера, установлен их тип. Проанализирован фазовый портрет модели.

Исследовано поведение системы при исчерпании ресурсов роста. Разработана уточнённая динамическая модель развития трекера.

В шестой главе рассматривается разработка структурной модели развития сети в виде случайно порождённого графа.

Приведён анализ существующих моделей случайно порождённых графов.

Измерено фактическое распределение длин путей сетевого уровня в глобальной сети. Выдвинуты гипотезы о причинах отличия распределения от

ч«< г— г— V./ . . \»<

принятой безмасштабной модели, подтверждённые в дальнейшем имитационным моделированием.

Создана имитационная модель роста сети, реализованная на компилируемом языке С++ с использованием библиотек ОрепМР и СИБЛ и включающая модули роста сети и расчёта длин путей. Для верификации разработанной модели исследованы длины путей в безмасштабных графах. Построены модели роста сети, учитывающие выдвинутые гипотезы.

Подтверждена квазифрактальная структура глобальной сети.

В заключении отражены основные выводы и результаты диссертации.

В приложениях представлены результаты натурных измерений и имитационного моделирования, а также фрагменты программной реализации разработанных инструментов и моделей.

Глава 1

Аналитический обзор современных методов и средств реализации глобальных сетей

В настоящее время невозможно представить себе компьютер общего назначения, не подключённый к сети. Сеть необходима как для устойчивого функционирования самого компьютера (в частности, регулярного получения обновлений безопасности), так и для доступа пользователя к необходимому ему контенту.

В отличие от локальных сетей, структура которых планируется и поддерживается администратором, современные глобальные сети обладают двумя особенностями — огромным количеством подключённых к ним устройств (узлов) и нерегулируемым ростом, описать который можно только статистически.

Соответственно, исследование существующих глобальных сетей и моделирование сетей — крайне актуальная задача.

Наиболее часто используемая характеристика любой сети — количество составляющих её узлов. Изменение этой характеристики может быть промоделировано при помощи динамических систем. Наиболее подробно разработана теория одномерных и двумерных (планарных) динамических систем.

К сожалению, динамика количества узлов в сети недостаточно полно описывает структуру этой сети. Не менее важной является топология сети, моделью которой в каждый фиксированный момент времени является некоторый граф. Вершины этого графа — узлы сети, рёбра — соединяющие их каналы передачи данных [23]. Следующая ступень проработанности модели — учёт пропускной способности каналов, то есть приписывание рёбрам графа некоторых весов.

В данной главе представлен аналитический обзор современных методов и средств реализации глобальных сетей, а также средств исследования планарных нелинейных динамических систем.

1.1. Архитектура и топология компьютерных сетей

Иерархические модели межсетевого взаимодействия

Модели межсетевого взаимодействия предназначены для описания взаимодействия сетевых узлов между собой. В настоящее время наибольшее распространение получили два основных стандарта: модель 081 и модель ТСР/1Р [125, 132]. Они построены по схожим принципам. Каждая из этих моделей вводит понятия горизонтального и вертикального взаимодействия.

Передачу данных между узлами в каждой из этих моделей можно представить как совокупность двух движений — горизонтального и вертикального.

- горизонтальное перемещение данных соответствует обмену данными одного типа между программами и процессами, работающими на одном и том же уровне на различных сетевых узлах;

- вертикальное перемещение данных между соседними уровнями на одном сетевом узле.

В горизонтальном перемещении двум программам, работающими на различных сетевых узлах, требуется общий протокол для обмена данными.

Вертикальное происходит в пределах одного узла. Процесс приёма-передачи данных разбивается на несколько этапов (уровней). При передаче данных по некоторому протоколу пакет, включающий данные и заголовок со служебной информацией протокола, отправляется узлу-адресату через протокол нижележащего уровня. Тот, в свою очередь, добавляет заголовок с информацией своего уровня и посылает пакет через протокол ещё более низкого. Протокол, лежащий ниже всех остальных, отправляет полученный пакет с по-

мощью аппаратных средств. После приёма этого пакета узлом-получателем данные декодируются, начиная с наинизшего уровня.

При этом, если узел-отправитель и узел-получатель не связаны непосредственно, на каком-либо уровне может быть организована пересылка пакета через цепочку промежуточных узлов.

Приближённое соответствие между моделями OSI и TCP/IP (DARPA) представлено в табл. 1.1. Точного соответствия между моделями OSI и TCP/IP не существует, так как в структуре TCP/IP отсутствуют (теоретически) некоторые особенности, характерные для модели OSI. Кроме того, здесь некоторые средства соседних уровней OSI объединены, а некоторые уровни, наоборот, разделены [130].

Сетевые уровни (layer) различных сетевых моделей и передаваемые при этом данные

Таблица 1.1

Тип данных Уровни модели OSI Уровни модели TCP/IP (DARPA)

Данные 7. Прикладной (Application) Прикладной (Application)

6. Представительский (Presentation)

5. Сеансовый (Session)

Сегменты 4. Транспортный (Transport) Транспортный (Transport)

Пакеты 3. Сетевой (Network) Сетевой (Internet)

Кадры 2. Канальный (Data link) Канальный (Network access)

Биты 1. Физический (Physical)

Протокол трансляции адресов NAT и серые IP

Когда в начале 90-х гг. ёмкость адресного пространства IPv4 начала исчерпываться, в качестве временного решения был предложен протокол NAT (Network Address Translation — механизм трансляции сетевых адресов), позволяющий множеству узлов выходить в Интернет под одним IP-адресом (постоянным решением предполагался IPv6, до сих пор не используемый повсеместно).

Часть IP-адресов была выделена для использования в локальных сетях — частные, или серые адреса. В настоящее время к ним относятся диапазоны 10.0.0.0/8 и 172.16.0.0/12 для крупных локальных сетей и 192.168.0.0/16 для небольших. Таким образом, одному и тому же серому IP-адресу, в частности, 192.168.1.1, соответствует множество разных узлов, находящихся в разных локальных сетях.

Чтобы избежать путаницы, серые IP не могут использоваться в глобальной сети. Соответственно, протокол NAT, применяемый на границе локальной и глобальной сети, позволяет подменить в пакетах, пересылаемых из локальной сети в глобальную, IP-адрес узла локальной сети на IP-адрес NAT-сервера, разрешённый для использования в глобальной сети — белый. С ответами, идущими из глобальной сети в локальную, производится обратная подстановка, так что пакет попадает к тому узлу локальной сети, который установил соединение.

Одному белому IP-адресу может соответствовать один фиксированный серый (статический NAT) либо один или несколько динамически назначаемых серых IP-адресов (в последнем случае для их различения используются разные порты).

Чаще всего один белый IP-адрес используется для выхода в глобальную сеть множества серых, что позволяет экономить IP-адреса. Именно эта форма (так называемый маскарадинг) обычно и понимается под NAT. В этом слу-

V WW ТТЛ

чае узел локальной сети, имеющий серый IP-адрес, может связаться с узлом глобальной сети с белым IP-адресом, но узел глобальной сети сам не может инициировать соединение с узлом локальной сети, даже зная его серый IP-адрес и адрес NAT-сервера — может только ответить на запрос локального. Соответственно, два узла в разных локальных сетях, скрытых за NAT-сервера-ми, не могут связаться друг с другом напрямую — необходим узел с белым IP-адресом, выступающий в роли посредника.

Топология сети на различных уровнях

Топология сети зависит как от её физической структуры, так и от уровня модели 081, на котором рассматривается сеть. Так, наиболее популярной топологией небольшой локальной сети на физическом уровне является «звезда» (все узлы подключены к центральному — локальному маршрутизатору или серверу). На прикладном уровне та же самая сеть представляет собой полный граф (каждый узел может связаться с каждым, в том числе и центральным).

Более того, при рассмотрении сети на разных уровнях различается даже количество узлов сети. Высокие уровни скрывают промежуточные узлы, которые используются только для пересылки данных, но сами не инициируют обмен на данном уровне.

Так, на рис. 1.1 показана структура трёх локальных сетей, сообщающихся через глобальную сеть Интернет. В правом верхнем углу рисунка представлена

а) б) в)

Рис. 1.1. Топология одной и той же сети: а) на канальном, б) на сетевом, в) на транспортном уровне модели TCP/IP

локальная сеть из трёх компьютеров с серыми IP (192.168.100.x), связанных друг с другом и с сервером посредством хаба, или коммутатора, не имеющего IP-адреса. Сервер выполняет функции шлюза, межсетевого экрана и proxy-сервера и, в свою очередь, имеет два IP-адреса — серый 192.168.100.1, соответствующий локальной сети, и белый 197.51.45.11, для выхода в глобальную.

В правом нижнем углу представлена сеть, состоящая только из одного компьютера с белым IP-адресом 195.19.43.99, связывающимся с глобальной сетью посредством модема (сам модем не имеет IP-адреса).

В левом нижнем — сеть из трёх компьютеров с белыми IP-адресами 193.233.5.x, связанных друг с другом и с глобальной сетью посредством маршрутизатора.

Соответственно, на канальном уровне модели TCP/IP (включающем, в частности, физический уровень модели OSI) присутствуют все названные устройства и непосредственные связи между ними (рис. 1.1, а).

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Кононова Александра Игоревна, 2021 год

/ X

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

в)

СН() С (ж) С0(ж) С2(Я) С3(я) (4(Ж) С5(®) С6(ж) Ст(^)

Мода 13 14 10 16 13 13 15 14 13

Среднее 13,8 14,4 11,2 16,2 13,7 13,4 16,2 13,2 13,4

СКО 3,9 2,5 2,7 3,2 2,8 2,6 2,7 2,7 2,3

Асимм. +1,0 +1,4 +1,6 +1,4 +1,4 +0,8 +0,5 +0,5 +0,4

Эксцесс +3,0 +5,5 +8,6 +5,2 +6,1 +3,3 +1,2 +2,5 +0,1

а)

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

'С (! )

X

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

б)

100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6

С и )

Е 4 % \

\

/ \

/

I \

= X

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

в)

СН() С М С0(ж) С2М С3(®) С4(Ж) С5(®) С6(^) Ст(^)

Мода 6 6 6 5 6 6 6 6 6

Среднее 5,9 5,9 5,6 5,2 5,5 6,3 6,3 5,8 6,1

СКО 1,0 0,8 0,7 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8

Асимм. -0,3 -0,4 -0,2 -0,5 -0,4 -0,2 -0,2 -0,2 -0,6

Эксцесс +0,1 +0,4 +0,1 +0,5 +0,5 -0,1 +0,2 -0,2 +1,3

0,5

0,4

0,3

а)

0,2

0,1

С (ж)

X

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

10и

б)

10

10-

-2

10

-6

10

-8

С (ж)

X

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

4

в)

СМС) С (ж) С0И С2(Я) С3(я) С4(Ж) С5М С6(ж) СтМ

Мода 5 5 5 5 8 4 9 6 6

Среднее 5,4 5,3 4,9 5,7 8,0 4,4 9,1 5,9 5,9

СКО 1,6 1,3 1,1 1,3 1,3 1,2 1,2 1,1 1,1

Асимм. +1,4 +1,7 +1,7 +1,9 +0,7 +2,0 +0,8 +1,0 +1,2

Эксцесс +3,1 +4,3 +6,1 +5,2 +5,7 +8,2 +6,7 +3,7 +3,1