ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
ДРОБОТ Ольга Анатоліївна
УДК 621.391
МОДЕЛІ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ГАРАНТОВАНОЇ ЯКОСТІ
ОБСЛУГОВУВАННЯ ІНФОРМАЦІЙНОГО ТРАФІКУ
У МУЛЬТИСЕРВІСНИХ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ МЕРЕЖАХ
Спеціальність: 05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Харківському університеті Повітряних Сил імені Івана Кожедуба Міністерства оборони України.
Науковий керівник: доктор технічних наук
ЛЕМЕШКО Олександр Віталійович,
Харківський університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, доцент кафедри бойового застосування вузлів зв'язку та радіотехнічного забезпечення і бортових радіоелектронних комплексів.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
АРТЕМЕНКО Євген Андрійович,
Українська державна академія залізничного транспорту, професор кафедри "Транспортний зв'язок";
кандидат технічних наук, доцент
РУБАН Ігор Вікторович,
Харківський університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, начальник кафедри математичного та програмного забезпечення автоматизованих систем управління.
Провідна установа: Український науково-дослідний інститут зв’язку, відділ "Системні рішення та нові технології", Державний департамент з питань зв’язку та інформатизації, м. Київ.
Захист відбудеться "_6__" ___червня___ 2007 року о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.
Автореферат розісланий " 3 " травня___ 2007 року.
Учений секретар спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук В.М. Безрук
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Ефективність сучасних мультисервісних телекомунікаційних мереж (ТКМ), що тісно пов'язана з наданням послуг гарантованої якості, багато в чому визначається складом і результативністю розв’язання задач мережного управління. Особливо це виявляється в умовах обмеженості мережних ресурсів. У подібних умовах особлива увага щодо забезпечення заданих показників якості обслуговування у рамках сучасних і перспективних систем мережного управління приділяється засобам маршрутизації, розподілу канальних і буферних ресурсів.
Перспективні моделі й методи забезпечення якості обслуговування (Quality of Service, QoS) інформаційного трафіку (ІТ) мають гарантувати необхідний рівень сервісу, враховувати характеристики трафіків, а також розширити перелік структурно-функціональних мережних параметрів, за якими здійснюється адаптація щодо зміни умов функціонування ТКМ. Одним з досить конструктивних є підхід щодо забезпечення гарантій QoS, який ґрунтується на забезпеченні погодженого розв’язання задач маршрутизації й розподілу мережних ресурсів у рамках потокових математичних моделей ТКМ. Використання потокових моделей з їхньою тензорною інтерпретацією дозволяє забезпечити цілісний математичний опис ТКМ як складної організаційно-технічної системи з реалізацією широкого переліку вимог щодо гарантованої якості обслуговування та балансування навантаження, висунутих у ході реалізації перспективних концепцій і технологій мережного управління Active Network (AN), Traffic Engineering (TE), MultiPath Routing, QoS-based Routing та Load-Balanced Routing.
У зв'язку з цим тематика дисертаційної роботи, яка присвячена вдосконаленню засобів забезпечення гарантованої якості обслуговування інформаційного трафіку в умовах погодженої реалізації багатошляхової стратегії маршрутизації й динамічного розподілу канальних ресурсів шляхом розробки відповідних математичних моделей і методу для підвищення продуктивності системи в цілому, є актуальною.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження були тісно пов’язані з виконанням основних положень „Національної програми інформатизації України”, „Концепції розвитку зв’язку України до 2010 року”, „Концепції конвергенції телефонних мереж та мереж з пакетною комутацією в Україні”, зокрема, науково-дослідних робіт (НДР) з шифрами "Кара-Даг", "Модель-2", "Бджола", "Інтеграція", виконавцем яких в Харківському університеті Повітряних Сил (ХУ ПС) була здобувач.
Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є підвищення продуктивності мультисервісних мереж із забезпеченням заданих значень показників якості обслуговування інформаційного трафіку на підставі погодженого розв’язання задач маршрутизації й розподілу канальних ресурсів. Для досягнення поставленої мети у роботі розв’язані наступні задачі дослідження:
1. Аналіз технологічних, протокольних та теоретичних рішень в галузі забезпечення гарантованої якості обслуговування в сучасних та перспективних мультисервісних ТКМ.
2. Формулювання основних вимог, яким мають відповідати перспективні рішення в галузі забезпечення гарантованої якості обслуговування.
3. Розробка математичних моделей та методу забезпечення гарантованої якості обслуговування ІТ в умовах погодженої реалізації стратегій багатошляхової маршрутизації та динамічного розподілу канальних ресурсів.
4. Оцінка ефективності отриманих рішень в рамках обраних показників для різноманітних типів структур та характеристик трафіка, який обслуговується в ТКМ.
5. Розробка комплексу рекомендацій щодо практичного використання розроблених моделей та методу забезпечення гарантованої якості обслуговування ІТ.
Об'єкт дослідження – процеси забезпечення гарантованої якості обслуговування інформаційного трафіку в мультисервісних ТКМ.
Предмет дослідження – математичні моделі й методи забезпечення гарантованої якості обслуговування інформаційного трафіку в мультисервісних ТКМ.
Методи дослідження. У роботі знайшли своє застосування аналітичні, імітаційні методи дослідження, а також методи натурного експерименту. При цьому в ході розробки моделей забезпечення гарантованої якості обслуговування був використаний апарат тензорного обчислення й аналізу, можливості комбінаторної топології й теорії масового обслуговування. При одержанні результатів порівняльного аналізу запропонованих і раніше відомих рішень були використані можливості методів імітаційного моделювання й натурного експерименту.
Наукова новизна отриманих результатів:
1. Основним науковим результатом є розроблена вперше комплексна модель забезпечення гарантованої якості обслуговування інформаційного трафіку одночасно за декількома показниками на підставі погодженого розв’язання задач багатошляхової маршрутизації й динамічного розподілу пропускної здатності трактів передачі, що дозволило знизити обсяг використаних для цього мережних ресурсів у мультисервісних ТКМ.
2. У роботі одержала подальший розвиток потокова модель багатошляхової маршрутизації, новизна якої полягає в тому, що в ній на відміну від раніше відомих моделей забезпечуються гарантії якості обслуговування інформаційного трафіку одночасно за швидкісними та імовірнісно-часовими показниками з підвищенням загальної продуктивності ТКМ.
3. Удосконалено метод забезпечення гарантованої якості обслуговування інформаційного трафіку в територіально-розподілених мультисервісних ТКМ, новизна якого полягає в тому, що в ньому на відміну від раніше відомих рішень забезпечується адаптивний розрахунок структури оверлейної мережі для обслуговування трафіків між заданою парою мережних вузлів, що дозволило підвищити масштабованість отриманих рішень у ході реалізації динамічних стратегій багатошляхової маршрутизації й розподілу канальних ресурсів.
Практичне значення отриманих результатів. Практична значимість дисертаційної роботи полягає в тому, що запропоновані в ній математичні моделі й метод можуть бути використані при розв’язанні важливих прикладних задач забезпечення гарантованої якості обслуговування трафіку в ТКМ, маршрутизації й розподілу канальних ресурсів і покладені в основу перспективних систем мережного управління.
Реалізація. Результати дисертаційної роботи використані, по-перше, під час розробки програмного модуля призначення пріоритетів в маршрутизаторах Cisco 7200 в мультисервісній мережі ТОВ "Ногинская телекоммуникационная компания"; по-друге, у ході розробки вузлових компонентів активних технологій управління мережними ресурсами в Харківському державному регіональному науково-технічному центрі з питань технічного захисту інформації (ХДРНТЦ ТЗІ); по-третє, при розробці підсистеми збору й обробки радіолокаційної інформації для Повітряних Сил в ході аналізу ймовірнісно-часових характеристик апаратури передачі радіолокаційної інформації у спеціалізованих АСУ (НДР "Кара-Даг", "Модель – "); по-четверте, під час обґрунтування вимог до каналу зв'язку та розробці пропозицій щодо забезпечення гарантованої якості зв’язку за показниками достовірності та оперативності засобами маршрутизації та управління канальним ресурсом в АСУ "Дніпро"; в ході розробки вимог щодо якості обслуговування в телекомунікаційній мережі спеціального призначення (НДР "Бджола"). Матеріали дисертаційної роботи також використані в навчальному процесі кафедри математичного та програмного забезпечення автоматизованих систем управління ХУ ПС та кафедри телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки (ХНУРЕ), про що складені відповідні акти.
Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові результати, висвітлені в дисертаційній роботі, здобувач одержав самостійно. У надрукованих роботах здобувачу належить: [1] дослідження можливості підвищення якості обслуговування за показниками надійності шляхом використання експертних систем у системах мережного управління; [2] аналіз основних факторів, що впливають на показники надійності й своєчасності доставки повідомлень в умовах невизначеності стану ТКМ; [3] обґрунтування вимог щодо кількісних значень часових показників якості обслуговування при передачі даних з різними пріоритетами в ТКМ спеціального призначення; [4] аналіз впливу фрагментації пакетів на середню затримку доставки в біт-орієнтованій процедурі передачі даних; [5] адаптація отриманих в тензорному вигляді умов забезпечення гарантованої якості обслуговування за часовими показниками для розв’язання задач багатошляхової маршрутизації; [6] методика вибору множини незалежних шляхів при розв’язанні задач багатошляхової маршрутизації (БШМ); [7] аналіз існуючих рішень в області багатошляхової маршрутизації та порівняння їх із удосконаленою здобувачем моделлю багатошляхової маршрутизації з урахуванням вимог щодо якості обслуговування; [8] розробка комплексної моделі забезпечення гарантованої якості обслуговування з динамічним розподілом ресурсів та реалізацією багатошляхової стратегії маршрутизації в мультисервісних мережах.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на 10 наукових конференціях [9, 11-16, 18-20] та 2-х форумах [10, 17].
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи були опубліковані в 20 наукових працях. Серед них 8 статей в наукових журналах і збірниках наукових праць фахових видань ВАК України, а також 12 матеріалах і тезах доповідей на науково-технічних конференціях та форумах.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, додатка і містить 187 сторінок друкованого тексту, а також 39 рисунків, 11 таблиць, список використаних джерел із 132 найменувань, викладених на 48 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету роботи, показано наукову новизну та практичну значимість роботи.
У першому розділі на підставі проведеного аналізу існуючого стану й перспектив розвитку ТКМ у напрямку створення мереж зв'язку наступних поколінь (NGN), сучасних мультимедійних послуг показано, що найважливішим атрибутом подібного роду систем мають стати засоби забезпечення гарантованої якості обслуговування одночасно за множиною різних показників QoS. У ході досліджень з'ясовано, що до числа основних засобів забезпечення якості обслуговування належать протоколи маршрутизації, а також механізми розподілу канальних ресурсів (пропускної здатності трактів передачі) ТКМ (рис. 1).
Ґрунтуючись на проведеному аналізі тенденцій розвитку, особливостей побудови й функціонування сучасних ТКМ, був сформульований ряд важливих вимог, яким мають задовольняти новітні технологічні рішення в галузі забезпечення гарантованої якості обслуговування ІТ:
вимога 1 (Вим. 1) – підтримка мультисервісності в рамках сучасних транспортних технологій (ATM, IP, MPLS/GMPLS);
вимога 2 (Вим. 2) – забезпечення гарантованої якості обслуговування одночасно за декількома часовими і швидкісними показниками і показниками надійності зв'язку;
вимога 3 (Вим. 3) – забезпечення комплексного (погодженого) характеру розв'язання задач маршрутизації й розподілу канальних ресурсів;
вимога 4 (Вим. 4) – реалізація багатошляхової стратегії маршрутизації, яка обумовлена необхідністю збалансованого завантаження ТКМ і забезпечення необхідних показників якості обслуговування;
вимога 5 (Вим. 5) – реалізація динамічної стратегії розподілу канальних ресурсів, яка обумовлена низькою ефективністю статичних схем (табл. 1), покладених в основу існуючих механізмів CBQ, WFQ, RED і WRED.
Аналіз існуючих протоколів маршрутизації й механізмів розподілу канальних ресурсів виявив їх досить обмежені можливості з погляду забезпечення гарантій якості обслуговування ІТ одночасно за множиною різнотипних показників QoS. Основним напрямком розширення можливостей обраних засобів забезпечення якості обслуговування є вдосконалення математичних моделей, покладених в основу відповідного протоколу або механізму управління, тому що існуючі моделі не забезпечують комплексний облік сформульованих вимог (Вим.1-Вим.5).
Виходячи із проведеного аналізу в розділі сформульована актуальна наукова задача, яка полягає в удосконаленні засобів забезпечення гарантованої якості обслуговування інформаційного трафіку в умовах погодженої реалізації багатошляхових стратегій маршрутизації й динамічного розподілу канальних ресурсів шляхом розробки відповідних математичних моделей і методу для підвищення продуктивності мультисервісних ТКМ.
В другому розділі на підставі проведеного аналізу за базову математичну модель забезпечення гарантованої QoS була обрана потокова модель багатошляхової маршрутизації, запропонована Галлагером. Структурна модель ТКМ була представлена зваженим орієнтованим графом, множина вершин якого моделювала мережні вузли, а – множина дуг, яка описувала тракти передачі (ТП) між вузлами мережі, потужність якої дорівнює. Як вагові коефіцієнти окремо взятої дуги можуть виступати, наприклад, пропускні здатності трактів передачі (1/с). Базова модель також припускає виконання наступної групи обмежень.
1. Умова збереження потоку: (1)
де – інтенсивність повного потоку між i-м та j-м вузлами; – маршрутна змінна, що чисельно характеризує частку потоку, який протікає з -го вузла по тракту; – інтенсивність пакетів вхідного трафіка, які надходять у мережу через i-й вузол та адресовані j-му вузлу; – інтенсивність пакетів трафіка в ТП.
2. Обмеження на маршрутні змінні: (2)
3. Умова відсутністі перевантаження трактів передачі: (3)
де – пропускна здатність тракту передачі.
Виконання обмежень (1)-(3) забезпечує розв’язання задачі балансування навантаження й багатошляхової маршрутизації відповідно до концепції Load-Balanced Routing і Multipath Routing (Вим.4).
У роботі для забезпечення гарантій якості обслуговування ІТ введена додаткова група обмежень-умов, представлених у формі нерівностей. Всі введені в базову модель обмеження умовно розділені на мінімаксні (швидкісні), адитивні (часові) і мультиплікативні (імовірнісні). В загальному випадку виконання умови збереження потоку (1) забезпечує гарантії якості обслуговування трафіку за швидкісними показниками (середня швидкість надходження пакетів).
Одержати умови забезпечення гарантованої якості обслуговування трафіку за часовими показниками та показниками надійності в аналітичному виді, зв'язавши між собою структурно-функціональні параметри ТКМ, характеристики трафіків користувачів і показники якості обслуговування, вдалося шляхом приведення вихідної базової моделі маршрутизації до тензорного виду, коли ТКМ була описана чотирьохвалентним геометричним об'єктом змішаного виміру – мультитензором.
Шукані умови-обмеження в загальному вигляді мають вид: (4)
де – кількість використовуваних шляхів між -ю парою вузлів мережі; –-й шлях між -ю парою вузлів мережі;, та – поточні значення середньої затримки, джиттера та ймовірності своєчасної доставки пакетів в тракті;, та – необхідні значення затримки, джиттера та ймовірності своєчасної доставки пакетів між -ю парою вузлів уздовж усієї множини шляхів; – загальна кількість пар вузлів, між якими передаються пакети трафіків користувачів.
Умови (4) в тензорному вигляді були представлені в наступному виді: (5) (6) (7)
де – необхідне значення швидкості надходження пакетів в мережу між -ю парою вузлів мережі, яка задається користувачем і погоджена в договорі про QoS;, , – проекції метричних тензорів, та у системі координат базисних контурів і вузлових пар, представлені у компаунд-тензорному вигляді.
Координати метричних тензорів в системах координат окремих гілок мережі, , повністю визначаються моделлю обслуговування пакетів у трактах передачі мережі. Так, наприклад, для моделі обслуговування координати метричного тензора представлені у вигляді діагональної матриці з елементами. Вигляд отриманих умов (5)-(7) залишається інваріантним щодо змісту використовуваних моделей обслуговування черг на мережних вузлах.
Розв'язання задачі багатошляхової маршрутизації із забезпеченням гарантованої якості обслуговування ІТ ґрунтується на розв'язанні оптимізаційної задачі, пов’язаної з мінімізацєю максимального завантаження трактів передачі: (8)
Застосування запропонованої моделі маршрутизації дозволяє розрахувати множину безконтурних шляхів, уздовж яких забезпечуються гарантії якості обслуговування одночасно за декількома показниками якості обслуговування ІТ (1), (5)-(7).
У третьому розділі була запропонована нова комплексна модель, яка дозволяє погоджено розв’язувати задачі багатошляхової маршрутизації та динамічного розподілу канальних ресурсів відповідно до перерахованого комплексу вимог (Вим.1-Вим.5) та забезпечувати зниження обсягів використовуваних для цього мережних ресурсів ТКМ. Це вимагало розширення базових можливостей (умов-обмежень) моделі, яка була запропонована у другому розділі.
Умова збереження потоку (1) та обмеження на маршрутні змінні з урахуванням мультисервісного характеру ТКМ для трафіків -ї служби була представлена в наступному вигляді: (9) (10)
де – загальна кількість служб, що підтрумуються мережею; тоді, наприклад, - це інтенсивність потоку трафіків -ї служби між i-м та j-м вузлами мережі.
Реалізувати Вим.5, тобто описати динамічний характер розподілу канальних ресурсів, вдалося через доповнення умови відсутності перенавантаження ТП (3) обмеженнями на кількість використовуваних канальних ресурсів: (11)
де – частка виділеного канального ресурсу для трафіків -ї служби в тракті; – об’єм канальних ресурсів, виділений для трафіків -ї служби в тракті (1/с).
Для реалізації введених додаткових обмежень на кількість використовуваних мережних ресурсів у перспективних мережних технологіях було запропоновано основні три варіанти перерозподілу канальних ресурсів:
варіант №1: схема статичного розподілу канальних ресурсів (СРКР) припускає фіксацію значень пріоритетів (частки виділених канальних ресурсів у кожному тракті) для всіх видів трафіка. Але на відміну від існуючих рішень призначення пріоритетів здійснюється не адміністративно, а залежно від стану ТКМ (завантаженості ТП, результату розв’язання маршрутних задач та ін.). Схема СРКР припускає наступне уточнення умов (11): (12)
де – загальна кількість пріоритетів, яка підтримується в тій чи іншій технології, наприклад в IPv4 =8, а в IPv6 =64;
варіант №2: схема квазидинамічного розподілу канальних ресурсів (КРКР) орієнтована на використання перспективних технологій MPLS та АN. В ній, на відміну від існуючих схем, передбачається зміна пріоритету від тракту до тракту для пакетів одного й того ж самого трафіку. У схемі КРКР змінні, які управляють канальними ресурсами, визначаються на границі мережі індивідуально для кожного вузла. Схема КРКР припускає наступне уточнення умов (11): (13)
варіант № 3: схема динамічного розподілу канальних ресурсів (ДРКР). В ній на відміну від першого й другого варіантів кількість пріоритетів наперед не задається й може змінюватися від вузла до вузла, тобто числове значення змінних може варіюватися від тракту до тракту, адаптуючись до динаміки змін стану мережі (Вим.5). Інформація про значення змінних управління канальними ресурсами може обновлятися разом з маршрутними таблицями. У перспективних технологіях інформація про може зберігатися в комплексних таблицях разом з маршрутними змінними. Схема ДРКР припускає наступне уточнення умов (11): (14)
Погоджений розрахунок змінних і відповідно до заданих обмежень (11)-(14) дозволяє забезпечити комплексне розв’язання задач динамічного розподілу канальних ресурсів () і багатошляхової маршрутизації (), що є необхідною умовою при забезпеченні гарантованої якості обслуговування (Вим.3- Вим.5).
Самі умови гарантованої якості обслуговування (5)-(7) з урахуванням мультисервісного характеру моделі набувають вигляду: (15) (16) (17)
де, та – необхідні значення обраних показників QoS трафіку, відповідно швидкості передачі (інтенсивності пакетів), середньої затримки, джиттера та ймовірності своєчасної доставки пакетів трафіків -ї служби, які передаються між -ю парою вузлів мережі.
З точки зору практики розв’язання задачі забезпечення гарантованої якості обслуговування ІТ має відбуватися з мінімальним використанням канальних ресурсів ТКМ. У зв'язку із цим розрахунок зміних і відбувався з використанням вартісного критерію: (18)
де – умовна вартість використання (резервування) канального ресурсу для трафіків -ї служби в тракті. Вибір критерію (18) дозволив в решті решт сформулювати в комплексному вигляді наступну оптимізаційну задачу: необхідно мінімізувати об’єм динамічно виділених для трафіків кожної служби канальних ресурсів (11), (18) з реалізацією багатошляхової стратегії маршрутизації (9), (10) й забезпеченням гарантованої якості обслуговування за декількома показниками (15)-(17).
Крім цього в третьому розділі був удосконалений метод забезпечення гарантованої якості обслуговування інформаційного трафіка в територіально-розподілених мультисервісних ТКМ, при використанні якого, ґрунтуючись на запропонованій у підрозділі комплексній моделі, забезпечується адаптивний вибір структури накладеної (оверлейної) мережі для обслуговування трафіків між заданою парою мережних вузлів, що дозволило підвищити масштабованість отриманих рішень при реалізації динамічних стратегій БШМ й розподілі канальних ресурсів. Ґрунтується метод на рішенні наступних завдань: по-перше, адаптивного вибору структури оверлейної мережі залежно від кількості користувачів і рівня вимог щодо якості обслуговування ІТ; по-друге, розподілу канальних ресурсів в інтересах трафіка тієї чи іншої служби; по-третє, багатошляхової маршрутизації.
У межах даного методу для погодженого розв’язання задач маршрутизації й динамічного розподілу ресурсів оверлейної мережі (Overley Network, ON) застосовується запропонована комплексна модель. Для вибору ж структури самої оверлейної мережі можуть використовуватися залежно від завантаженості мережі й змісту вимог щодо показників якості обслуговування відомі графокомбінаторні алгоритми пошуку мультишляхів (MPDA, MDVA, MPATH) або алгоритми пошуку k-найкоротших шляхів з обґрунтуванням їх максимальної кількості. Для встановлення верхнього порогу кількості використаних шляхів у роботі запропонована нова методика вибору незалежних шляхів при розв’язанні задач БШМ, яка ґрунтується на вихідній структурі мультисервісної ТКМ. Методика ґрунтується на геометричному зображенні структури ТКМ у вигляді лінійного простору з виділенням системи координат шляхів між заданою парою вузлів мережі. Розмірність простору шляхів визначала максимальну кількість шляхів, уздовж яких необхідно забезпечувати гарантії якості обслуговування для кожного трафіку. Встановлено, що всі інші шляхи між заданою парою вузлів є залежними один від одного, а їх використання призводить до нераціонального використання доступних мережних ресурсів.
У четвертому розділі здійснено аналіз показників ефективності, за якими оцінювалася якість одержуваних рішень щодо забезпечення гарантованої якості обслуговування інформаційного трафіку в рамках запропонованих моделей і методу. Частковими показниками ефективності обрані окремі показники якості обслуговування (, , ,) і коефіцієнти використання окремих трактів передачі мережі, (19)
де – коефіцієнт використання трактів передачі трафіками -ї служби.
В ролі загальних показників ефективності виступали похідні від продуктивності системи та коефіцієнт використання мережі в цілому (20)
який чисельно характеризував долю задіяних канальних ресурсів для забезпечення заданих значень показників якості обслуговування.
У розділі проведено експериментальне дослідження розроблених моделей і методу забезпечення якості обслуговування з метою оцінки їх ефективності. Для оцінки ефективності запропонованої моделі багатошляхової маршрутизації (1)-(8) був проведений натурний експеримент на мережному обладнанні компанії Cіsco Systems, представленому лінійкою з вісімнадцяти модульних маршрутизаторів C2801 серії, кафедри телекомунікаційних систем ХНУРЕ. У ході експерименту здійснювалося порівняння результатів роботи наступних моделей маршрутизації:
М-1 – модель одношляхової маршрутизації, яка ґрунтується на пошуку шляху, що містить мінімальну кількість переприйомів, як у протоколі RIP;
М-2 – модель БШМ, у якій на відміну від моделі М-1 підтримується балансування навантаження за шляхами з однаковою вартістю;
М-3 – потокова модель БШМ із метрикою протоколу IGRP і забезпеченням балансування навантаження за шляхами з неоднаковою вартістю;
М-4 – потокова модель БШМ, запропонована Галлагером (1)-(3), (8);
М-5 – запропонована модель забезпечення гарантованої якості обслуговування одночасно за швидкісними та імовірнісно-часовими показниками (1)-(8).
Використання розробленої в другому розділі потокової моделі БШМ (М-5) в порівнянні з іншими моделями (М-1чМ-4) дозволяє:
по-перше, за одних і тих самих обсягах використаних канальних ресурсів поліпшити якість обслуговування за показниками: середньої затримки в 1,5-2 рази (рис.3, а); джиттером – на 30-55%; за ймовірністю правильної доставки – на 1-4%;
по-друге, забезпечити задані значення часових показників QoS та показників надійності зв’язку з підвищенням продуктивності ТКМ у середньому на 10-20% (рис.3, а).
Результати моделювання (рис.3, б) також засвідчили те, що якісне розв’язання задач балансування навантаження в загальному випадку лише сприяє, але не гарантує покращення якості обслуговування за обраними показниками (рис.3, а).
Для оцінки ефективності запропонованого методу забезпечення гарантованої якості обслуговування в умовах погодженого розв'язання задач БШМ й розподілу канальних ресурсів були використані засоби імітаційного моделювання, а саме пакет TOTEM (TOolbox for Traffic Engineering Methods). Використання в рамках методу комплексної моделі погодженого розв’язання задач БШМ та розподілу канальних ресурсів дозволило:
по-перше, забезпечити пропорційне зростання ресурсів, що використовуються, (19), (20) залежно від величини нормованого абонентського навантаження () і вимог щодо значень показників якості обслуговування інформаційного трафіку (рис.4, а);
по-друге, забезпечити ті ж значення показників якості, що й при використанні відомих моделей М-1чМ-4, при цьому скоротивши обсяги ресурсів, що використовуються, у середньому на 25 -30 % (рис.4, б).
Крім цього використання запропонованого методу забезпечення QoS дозволило гарантувати задані значення показників якості обслуговування, але з істотним зниженням (до 25-40%) розмірності покладеної в основу даного методу оптимізаційної задачі, що спричиняє на практиці пропорційне зниження обсягів циркулюючої інформації про завантаженість трактів передачі мультисервісної ТКМ. При цьому особливо відчутно виграш у застосуванні розробленого методу для ТКМ із кількістю вузлів 12 і вище при зв'язності мережі, що дорівнює 3 і вище і є характерним при побудові сучасних територіально-розподілених мереж зв'язку.
Кількісний аналіз вірогідності результатів аналітичного та імітаційного моделювання проводився шляхом їх порівняння з результатами натурного експерименту. Вірогідність отриманих результатів підтверджена досить високою збіжністю (до 8-12%) отриманих залежностей.
Також у розділі запропоновані рекомендації щодо практичної реалізації результатів дисертаційної роботи, які ґрунтуються на підсумках експериментального дослідження розроблених моделей і методу забезпечення гарантованої якості обслуговування в мультисервісних ТКМ. Запропоновані моделі та метод забезпечення гарантованої якості обслуговування ІТ відповідають вимогам сучасних концепцій управління мережними ресурсами, трафіком і маршрутизацією, розширюючи область їхнього застосування в умовах погодженої реалізації динамічних стратегій БШМ й розподілу канальних ресурсів в мультисервісних ТКМ.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі розв’язана актуальна науково-прикладна задача, що полягає в удосконаленні засобів забезпечення гарантованої якості обслуговування інформаційного трафіку в умовах погодженої реалізації динамічних стратегій багатошляхової маршрутизації і розподілу канальних ресурсів шляхом розробки відповідних математичних моделей і методу з метою підвищення продуктивності мультисервісних ТКМ у цілому. За підсумками розв’язання поставленої наукової задачі можна зробити наступні висновки:
1. На підставі проведеного аналізу принципів побудови й умов функціонування сучасних ТКМ встановлено, що важливе місце в рамках передових технологій і концепцій мережного управління й маршрутизації займають засоби забезпечення якості обслуговування. Виявлено основні фактори, що впливають на ефективність рішення завдань щодо забезпечення QoS. У результаті проведених досліджень визначено основні засоби розв’язання окремих задач забезпечення якості обслуговування, до яких, насамперед, відносяться засоби управління трафіком, буферними й канальними мережними ресурсами, маршрутизації, пріоритетної обробки пакетів, які представлені відповідними сигнальними протоколами й протоколами маршрутизації, а також механізмами обслуговування черг на мережних вузлах. Аналіз існуючих рішень у цій області продемонстрував значне розмаїття використовуваних протоколів і механізмів, які в різній мірі задовольняють вимогам щодо якості розв’язання задач із забезпечення якості обслуговування ІТ в ТКМ.
2. Установлено, що поряд із забезпеченням гарантованої якості обслуговування одночасно за множиною показників до числа основних вимог до подібного роду протоколів і механізмів відповідно до положень концепцій Active Network, Traffіc Engіneerіng, MultіPath QoS-based Routіng й Load-Balanced Routіng варто також віднести підтримку мультисервісності із погодженою реалізацією динамічних стратегій багатошляхової маршрутизації й розподілу канальних ресурсів ТКМ. Виявлено, що основою вдосконалення існуючих засобів QoS у ТКМ є перегляд використовуваних у протоколах математичних моделей. Перспективні моделі, виходячи з вимог до процесів QoS, мають забезпечувати одночасне урахування множини структурно-функціональних параметрів ТКМ і характеристик абонентського трафіка.
3. У роботі запропоновано систему математичних моделей забезпечення якості обслуговування ТКМ на підставі погодженої реалізації динамічних стратегій багатошляхової маршрутизації і розподілу канальних ресурсів з підтримкою QoS одночасно за декількома показниками (швидкісними, часовими та показниками надійності). Отримати в аналітичному вигляді шукані умови забезпечення QoS вдалося за рахунок тензорного узагальнення функціональної моделі ТКМ. Погоджене розв’язання задач БШМ й розподілу канальних ресурсів вдалося шляхом паралельного розрахунку маршрутних змінних і змінних, які відповідають за розподіл пропускної здатності трактів передачі.
4. У рамках поставленої наукової задачі запропоновано моделі, які були основою для розробки в решті решт відповідного методу забезпечення гарантованої якості обслуговування інформаційного трафіку в територіально-розподілених мультисервісних ТКМ на підставі адаптивного вибору структури накладеної мережі для обслуговування трафіків між заданою парою мережних вузлів. Особливістю методу є те, що для вибору структури накладених (оверлейних) мереж в залежності від завантаженості ТКМ використовувалися відомі графокомбінаторні алгоритми пошуку мультишляхів або алгоритми пошуку k-найкоротших шляхів з обґрунтуванням їх максимальної кількості. Використання запропонованого методу дозволило підвищити масштабованість отриманих рішень при погодженій реалізації динамічних стратегій багатошляхової маршрутизації й розподілу канальних ресурсів.
5. Здійснено аналіз показників ефективності, за якими оцінювалася якість одержуваних рішень, пов'язаних із забезпеченням гарантованого QoS в мультисервісних ТКМ у рамках запропонованих моделей і методу. Як критерій ефективності обґрунтовано обрані похідні від продуктивності системи. Проведено експериментальне дослідження розроблених моделей і методу забезпечення гарантованого QoS з використанням аналітичного моделювання, імітаційного моделювання, а також засобів натурного експерименту на реальному мережному устаткуванні. Результати експериментального дослідження запропонованих у роботі моделей і методу забезпечення QoS підтвердили ефективність за обраними показниками. Отримані у ході порівняльного аналізу результати свідчать про те, що використання розробленої у другому розділі потокової моделі багатошляхової маршрутизації дозволяє при одних і тих самих обсягах мережних ресурсів, що використовуються, поліпшити якість обслуговування за середньою затримкою в 1,5-2 рази; за джиттером – на 30-55%; за ймовірністю правильної доставки – на 1-4%, а також забезпечити задані значення зазначених показників якості з підвищенням продуктивності ТКС у середньому на 10-20%.
Як показали результати порівняльного аналізу, застосування запропонованих у третьому розділі комплексної моделі та методу забезпечення гарантованої якості обслуговування дозволяє забезпечити ті ж значення основних показників QoS, що й при використанні відомих моделей і методів, при цьому скоротивши обсяги використовуваних для цього мережних ресурсів ТКС у середньому від 5-8% (в області малих навантажень) до 25-30% (в області середніх і високих навантажень).
6. Розроблено рекомендації із практичної реалізації результатів дисертаційної роботи, які ґрунтуються на результатах експериментального дослідження розроблених моделей і методів забезпечення гарантованої якості обслуговування в мультисервісних ТКМ. Виконання запропонованих рекомендацій припускає проведення комплексу організаційно-технічних заходів, які стосуються принципів структурно-топологічної, технологічної та програмної реалізації в рамках існуючих і перспективних технологій або протоколів мережного управління й маршрутизації, спрямованих на забезпечення ефективного функціонування ТКМ.
Запропоновані моделі забезпечення гарантованого QoS відповідають вимогам сучасних концепцій управління мережними ресурсами, трафіком і маршрутизацією, наприклад Active Network, MultiPath Routing, QoS-based Routing, Load-Balanced Routing і Traffic Engineering, розширюючи область їхнього застосування в умовах реалізації динамічних стратегій БШМ ї розподілу канальних ресурсів. Практична реалізація розроблених моделей і методів не пов'язана з переглядом основних принципів побудови й функціонування існуючих ТКМ.
7. Результати дисертаційної роботи використані:
по-перше, при розробці програмного модуля призначення пріоритетів в маршрутизаторах Cisco 7200 в мультисервісній мережі ТОВ "Ногинская телекоммуникационная компания"; по-друге, при розробці вузлових компонентів активних технологій управління мережними ресурсами в Харківському державному регіональному науково-технічному центрі з питань технічного захисту інформації; по-третє, при розробці підсистеми збору й обробки радіолокаційної інформації для Військово-Повітряних Сил в ході аналізу імовірнісно-часових характеристик апаратури передачі радіолокаційної інформації у спеціалізованих АСУ (НДР "Кара-Даг"); по-четверте, при обґрунтуванні вимог до каналу зв'язку та розробці пропозицій щодо забезпечення гарантованої якості зв’язку за показниками достовірності та оперативності засобами маршрутизації та управління канальним ресурсом в АСУ "Дніпро" (НДР "Інтеграція"); при розробці вимог щодо якості обслуговування в телекомунікаційній мережі спеціального призначення (НДР "Бджола").
Матеріали дисертаційної роботи також використані в навчальному процесі кафедри математичного та програмного забезпечення автоматизованих систем управління ХУ ПС та кафедри телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки, про що складені відповідні акти.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Усачев А.М., Лосев Ю.И., Дробот О.А. Разработка методики оценки эффективности экспертной системы управления системой обмена данными // Радіоелектронні і комп’ютерні системи. – 2003. – № 3. - С. 91-96.
2. Лосев Ю.И., Усачев А.М., Дробот О.А. Метод количественной оценки ситуации при управлении сетью обмена данными в условиях неопределенности // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. – 2004. – № 138. – С. 95-100.
3. Лосев Ю.И., Алексеев С.В., Дробот О.А. Основные требования к протоколам единой системы обмена данными специального назначения // Авиационно-космическая техника и технология. – 2005. – № 2(18). – С. 69-76.
4. Алексеев С.В., Дробот О.А., Куренко А.Б. Оптимальная фрагментация пакетов по критерию времени доставки в бит-ориентированной процедуре передачи данных с квитированием // Радіоелектронні і комп’ютерні системи. 2005.–№ 3(11).–С.40-45.
5. Лемешко А.В., Дробот О.А. Модель многопутевой QoS-маршрутизации в мультисервисной телекоммуникационной сети // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2006. – № 144. – С. 16-22.
6. Лемешко А.В., Евсеева О.Ю., Дробот О.А. Методика выбора независимых путей с определением их количества при решении задач многопутевой маршрутизации // Праці УНДІРТ. – 2006. – №4(48). – С. 69-74.
7. Лемешко О.В., Симоненко Д.В., Дробот О.А. Результати порівняльного аналізу потокових моделей маршрутизації в телекомунікаційних мережах//Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних Сил.–Харків, 2007.–№1(13).-С.66-69.
8. Дробот О.А. Комплексная модель обеспечения гарантированного качества обслуживания с реализацией динамических стратегий распределения сетевых ресурсов // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. – 2007. – № 148. – С.54-64.
9. Усачев А.М., Лосев Ю.И., Дробот О.А. Разработка методики оценки эффективности экспертной системы управления системой обмена данными // Информационные технологии в авиации: Материалы международной научно-технической конференции (14-15 февраля 2003 р.). – Харьков: Харьковский институт Военно-Воздушных Сил им. И. Кожедуба, 2003. – С. 20.
10. Дробот О.А., Усачев А.М. Методика формализации вероятностно-временных показателей качества обслуживания в мультисервисных телекоммуникационных сетях // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: Материалы IX Международного молодежного форума (19 -21 апреля 2005 г.). – Харьков: Харьковский национальный университет радиоэлектроники, 2005. – С. 64.
11. Лосєв Ю.І., Дробот О.А., Марченко С.І. Метод обґрунтування вимог до якості передачі радіолокаційної інформації в перспективних телекомунікаційних системах військового призначення // Нові інформаційні технології в системі управління військами і озброєнням: Матеріали першої науково-технічної конференції Харківського університету Повітряних Сил (16-17 лютого 2005 р.). – Харків: Харківський університет Повітряних Сил, 2005. – С. 231-232.
12. Лосєв Ю.І., Лемешко О.В., Дробот О.А. Аналіз проблем забезпечення якісного зв’язку в телекомунікаційних системах спеціального призначення // Пріоритетні напрямки розвитку телекомунікаційних систем спеціального призначення: Матеріали ІІ Науково-практичної конференції (6-7 вересня 2004 р.). – Київ: ВІТІ НТУУ "КПІ", 2005.– С. 136.
13. Дробот О.А., Лемешко А.В. Решение задач обеспечения качества обслуживания в телекоммуникационных сетях с использованием методов структурного синтеза // Системы и средства передачи и обработки информации: Труды IX Международной научно-практической конференции – ССПОИ-2005 (5–10 сентября 2005 г.). – Черкассы: Черкасский государственный технологический университет, 2005. – С. 74-75.
14. Лемешко О.В., Дробот О.А., Тугай А.В. Потоковая модель многопутевой маршрутизации в телекоммуникационных сетях с дифференциацией качества обслуживания одновременно по вероятностным и временным показателям // Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні: Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції - ІКТМ’2005 (22-23 лютого 2005 р.). – Харків: Національний аерокосмічний університет "ХАІ", 2005. – С. 276-277.
15. Лемешко О.В., Дробот О.А., Усачов О.М. Методика розподілу мережних ресурсів для трафіків різноманітних служб з урахуванням QoS-вимог // Матеріали другої наукової конференції Харківського університету Повітряних Сил ім. Івана Кожедуба (14 лютого 2006 р.). – Харків: Харківський університет Повітряних Сил ім. Івана Кожедуба, 2006. – С. 80.
16. О., Drobot O. A Mathematical Model of Multipath QoS-based Routing in Multiservice Networks // Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science: Proceedings of conference International TCSET’2006 (1-4 March 2006 y.). – Lviv-Slavsko: Lviv Polytechnic National University, 2006. – P. 72-74.
17. Дробот О.А., Беленков А.Г., Чепелюк С.А. Управление сетевыми ресурсами в мультисервисных телекоммуникационных сетях//Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: Материалы Международного молодежного форума (10-12 апреля 2006 р.).–Харьков: Харьковский национальный университет радиоэлектроники,2006.С.18.
18. Лемешко А.В., Симоненко Д.В., Дробот О.А. Анализ многопутевых решений задач QoS маршрутизации // Информационные технологии: наука, техника, технологии, образование, здоровье: Материалы XIV Международной научно-практической конференции (18-19 мая 2006 г.). – Харьков: Харьковский политехнический институт, 2006. – С. 64.
19. Дробот О.А., Чепелюк С.А., Тугай А.В. Модель управління мережними ресурсами з врахуванням QoS-вимог // Світ інформації та телекомунікацій-2006: Матеріали ІІІ Міжнародної науково-технічної конференції студентства та молоді (26-27 травня 2006 р.). - Київ: Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, 2006. – С. 78.
20. Дробот О.А., Беленков А.Г., Чепелюк С.А. Комплексная модель маршрутизации с распределением канальных ресурсов в ТКС с гарантированным качеством обслуживания//Глобальные информационные системы. Проблемы и тенденции развития: Материалы первой международной конференции (3-6 октября 2006г.). Харьков-Туапсе: Харьковский национальный университет радиоэлектроники, 2006. – С. 303-304.
АНОТАЦІЯ
Дробот О.А. Моделі забезпечення гарантованої якості обслуговування інформаційного трафіку у мультисервісних телекомунікаційних мережах. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі. Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2007.
Дисертаційна робота присвячена розв'язанню актуальної наукової задачі, яка полягає в удосконаленні засобів забезпечення гарантованої якості обслуговування інформаційного трафіку в умовах погодженої реалізації динамічних стратегій багатошляхової маршрутизації (БШМ) й розподілу канальних ресурсів шляхом розробки відповідних математичних моделей і методу з метою підвищення продуктивності мультисервісних ТКМ у цілому.
У роботі розроблена вперше комплексна модель забезпечення гарантованої якості обслуговування інформаційного трафіку одночасно за декількома показниками на підставі погодженого розв'язання завдань БШМ ї динамічного розподілу пропускної здатності трактів передачі, що дозволило знизити обсяг використаних для цього мережних ресурсів в мультисервісних ТКМ. Одержала подальший розвиток потокова модель БШМ, в якій забезпечуються гарантії якості обслуговування трафіку одночасно за швидкісними та імовірнісно-часовими показниками з підвищенням загальної продуктивності ТКМ. У рамках поставленої наукової задачі запропоновані моделі стали підставою для розробки відповідного методу
