ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ЗВ`ЯЗКУ ім. О.С. ПОПОВА

Каптур Вадим Анатолійович

УДК 621.391:004.732:004.057.4

Механізм ОРГАНІЗАЦІЇ віртуальних каналів

в ОДНОРАНГОВИХ ETHERNET МЕРЕЖАХ

05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Одеса-2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській національній академії зв’язку ім. О.С. Попова Міністерства транспорту та зв’язку України.

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент

Нечипорук Олег Леонідович,

проректор з наукової роботи Одеської національної академії зв’язку ім. О.С. Попова.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Віноградов Микола Анатолійович,

професор кафедри комп’ютерних інформаційних технологій Національного авіаційного університету;

кандидат технічних наук, доцент

Чумак Микола Олександрович,

доцент кафедри комутаційних систем

Одеської національної академії зв’язку

ім. О.С. Попова.

Захист відбудеться “12” жовтня 2007 р. о “10:00” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.02 в Одеській національній академії зв’язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської національної академії зв’язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1.

Автореферат розіслано “4” вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент А.Г. Ложковський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом стрімкий розвиток телекомунікаційних технологій привів до переорієнтації операторів на модернізацію своїх мереж у мультисервісні, а саме мережі наступного покоління NGN (Next Generation Network). Як відомо, концепція NGN передбачає надання користувачам широкого спектра інфокомунікаційних послуг, що базуються на використанні різноманітних телекомунікаційних механізмів. Слід зазначити, що телекомунікаційний механізм, який покладено в основу роботи тієї або іншої послуги, визначає принцип взаємодії вузлів, стадійність встановлення з’єднання, а також стек телекомунікаційних протоколів для обміну службовими повідомленнями та корисним навантаженням.

Сьогодні переважна більшість інформаційних послуг, що функціонують в телекомунікаційних мережах, є традиційними, тобто побудованими на відомій та добре дослідженій архітектурі “клієнт-сервер”, яка зарекомендувала себе в таких популярних послугах мережі Інтернет, як електронна пошта та WWW (World Wide Web). Завдяки її популярності телекомунікаційні механізми, які базуються на архітектурі “клієнт-сервер”, дуже широко використовуються в корпоративних мережах, концентруючи частину інформаційних ресурсів на одному чи декількох серверах, однак більша частина ресурсів в будь-якій телекомунікаційній мережі залишається розосередженою.

Альтернативним шляхом розвитку телекомунікаційних мереж передавання даних є орієнтація на реалізацію послуг якісно нового типу, що базуються на принципі спільного використання розподілених інформаційних ресурсів. Реалізація таких послуг потребує розробки принципово нових механізмів обміну інформацією, які можна віднести до так званої архітектури “клієнт-клієнт”. Послуги, реалізовані на базі таких механізмів, дозволять більш ефективно використовувати наявні інформаційні та телекомунікаційні ресурси корпоративних мереж. Таким чином, створення ефективних механізмів обміну інформацією, що базуються на принципі спільного використання розподілених інформаційних ресурсів, є важливою задачею в рамках концепції розвитку мереж NGN.

Актуальною задачею є також реалізація механізмів анонімного обміну інформацією в мережі передавання даних. Механізми обміну інформацією, що використовуються в телекомунікаційних мережах сьогодні, передбачають можливість організації віртуального з’єднання з використанням статичної (фізичних MAC (Media Access Control) адрес мережних пристроїв) та статично-динамічної (адрес мережного рівня, номерів портів тощо) адресної інформації, перехоплення якої надає змогу потенційному зловмиснику повністю ідентифікувати як відправника, так і одержувача інформації. Тому важливим є запровадження механізмів, що дозволять утворювати повністю анонімні віртуальні канали зв’язку в телекомунікаційних мережах для реалізації таких перспективних послуг, як системи таємного голосування, корпоративні книги скарг, системи анонімного обміну повідомленнями тощо.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Наведені в дисертації дослідження проводилися в рамках госпрозрахункових тем “Розробка проекту Програми реалізації концепції розвитку поштового зв’язку України до 2010 року” (№ держ. реєстрації 0105U007659), виконаної за замовленням Міністерства транспорту та зв’язку України, “Розробка ТЕО інвестицій в створення єдиної цифрової телекомунікаційної мережі МВС України” (№ держ. реєстрації 0106U003921), виконаної за замовленням МВС України та “Оцінка чинного стану телекомунікаційної та інформаційної інфраструктури Пенсійного фонду України та перспектив її розвитку” (№ держ. реєстрації 0107U004641), виконаної за замовленням Пенсійного фонду України.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка нового механізму обміну інформацією, зорієнтованого на спільне використання розподілених інформаційних ресурсів та анонімний обмін інформацією в однорангових телекомунікаційних мережах. Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішуються такі задачі:–

проводиться порівняльний аналіз клієнт-серверних та однорангових механізмів обміну інформацією з точки зору можливостей реалізації інфокомунікаційних послуг;–

розроблюється новий спосіб організації віртуального з’єднання з декількома вузлами широкомовного домену телекомунікаційної мережі та будується математична модель пірингового механізму обміну інформацією; –

розроблюються специфікації протоколу організації віртуальних пірингових каналів (ВПК) в мережі Ethernet, а також програмна реалізація бібліотеки організації ВПК;–

проводяться експериментальні дослідження та розроблюється імітаційна модель функціонування пірингової мережі.

Об'єкт дослідження – механізм обміну інформацією в телекомунікаційних мережах.

Предмет дослідження – моделі (мережна, математична та імітаційна) механізму обміну інформацією в мережі передавання даних з підтримкою анонімних віртуальних каналів зв’язку, який базується на способі встановлення з’єднання за принципом “кожний з кожним”.

Методи дослідження ґрунтуються на принципах теорії телекомунікаційних мереж, аналітичного та імітаційного моделювання, теорії множин, теорії масового обслуговування та теорії ймовірностей, а також основ проектування та програмної реалізації телекомунікаційних протоколів.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі одержано такі наукові результати:

1. Вперше запропоновано новий підхід до встановлення віртуального з’єднання за принципом “кожний з кожним” який полягає в використанні широкомовного опитування вузлів мережі інформативним запитом, що дозволяє відокремити лише ті вузли, які відповідають до заданих в запиті умов ще під час встановлення з’єднання.

2. Вперше розроблено математичну модель пірингового механізму, яка може бути використана для дослідження впливу параметрів мережі на його роботу. Одержано низку аналітичних виразів для обчислення максимально припустимих інтенсивностей надсилання запитів, а також розміру штучної паузи між кадрами для додержання заданого класу обслуговування.

3. Для організації анонімного обміну інформацією в мережі Ethernet вперше запропоновано новий підхід який полягає в змінюванні реальних MAC-адрес мережних адаптерів на фіктивні. Алгоритм адресації наведено у вигляді процедурної характеристики протоколу організації ВПК.

4. Набув подальшого розвитку метод розрахунку швидкості передавання корисного навантаження в мережі Ethernet в умовах застосування різних стеків протоколів. Метод може бути використано для оцінки ефективності телекомунікаційних протоколів з точки зору надлишковості передавання службового навантаження.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблений у вигляді бібліотеки організації віртуальних каналів в однорангових Ethernet мережах пакет системного програмного забезпечення може бути використано для розробки нових та удосконалення існуючих інфокомунікаційних послуг:–

спрямованих на спільне використання інформаційних ресурсів (систем пошуку інформації, систем розподіленого зберігання інформації тощо);–

з можливістю анонімного обміну інформацією (систем таємного голосування, послуг анонімного файлового обміну тощо);–

в основу яких покладено обмін значними масивами інформації (системи розподіленого резервного копіювання, сховища даних тощо).

Розроблені математична та імітаційна моделі можуть бути використані на стадії проектування телекомунікаційних мереж та програмного забезпечення (визначення критичних параметрів, підтримка роботи мережі тощо), а запропонований механізм та специфікація протоколу організації віртуальних каналів в однорангових Ethernet мережах можуть бути використані в навчальному процесі для вивчення основних принципів роботи послуг типу “клієнт-клієнт”.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно розробив новий метод розрахунку швидкості передавання корисного навантаження, розкрив теоретичні аспекти організації зв’язку з використанням нового телекомунікаційного механізму (розробив мережну та математичну модель, новий телекомунікаційних протокол тощо), а також розробив системне програмне забезпечення, що реалізує функціональність запропонованого механізму, імітаційну модель та провів експериментальні дослідження. Всі основні результати дослідження, надані до захисту, отримані автором самостійно.

Роботи [3,8] виконано одноосібно. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать: в [1] – аналіз пірингових механізмів обміну інформацією, мережна модель нового механізму, а також опис основних принципів створення анонімних каналів обміну інформацією; [2] – побудова математичної моделі пірингової мережі, розробка алгоритмів роботи підсистеми контролю забезпечення якості обслуговування; [4] – розробка основних програмних модулів бібліотеки організації віртуальних пірингових каналів та імітаційної моделі, а також порядку їх використання; [5] – аналіз проблемних моментів розробки інфокомунікаційних послуг в мережах наступного покоління; [6] – опис розроблених автором інфокомунікаційних послуг; [7] – огляд основних принципів роботи механізму, а також перспектив його розвитку в галузі розробки послуг для мереж наступного покоління; [9] – огляд основних теоретичних положень та практичних аспектів реалізації пірингового механізму.

Апробація результатів дисертації. Наукові й практичні результати дисертаційної роботи апробовані на таких науково-технічних конференціях:

Міжнародна науково-практична конференція учасників CeBIT’2004 “Розробка і впровадження в Україні новітніх інформаційних і телекомунікаційних технологій” (18-24 березня 2004 р., м. Ганновер, Німеччина); Міжнародний симпозіум незалежних операторів та виробників обладнання “Телекомунікації без меж” (18-21 серпня 2004 р., м. Одеса); 60-а науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу, наукових працівників і молодих вчених академії “Освіта і наука” (18-20 квітня 2005 р., м. Одеса); Міжнародний симпозіум незалежних операторів та виробників обладнання “Телекомунікації без меж II” (8-10 вересня 2005 р., м. Одеса); 61-а науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу та наукових працівників академії “Освіта і наука” (25 грудня 2006 р., м. Одеса); 1-й Міжнародний україно-китайський форум “УКФ-2007” (23-25 травня 2007 р., м. Харків).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 3-х роботах, надрукованих у виданнях, що входять до Переліку наукових фахових видань ВАК України, підтверджені авторським свідоцтвом на комп’ютерний програмний комплекс та викладені у 5-ти тезах доповідей на науково-практичних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел і додатків. Список використаних джерел нараховує 75 найменувань. Додатки включають опис розробленого програмного забезпечення, результати експериментальних досліджень, імітаційного моделювання, а також акти впровадження результатів дисертаційної роботи у науковий та навчальний процес. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 161 сторінку, з них: основна частина – 126 сторінок, 40 рисунків, 8 таблиць та 5 додатків на 35 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, її зв'язок з науковими темами; сформульовано мету й основні задачі дослідження. Надано характеристику наукової новизни й практичного значення одержаних результатів, вказано доповіді на науково-практичних конференціях, публікації й особистий внесок автора.

У першому розділі “Механізми обміну інформацією та проблеми реалізації інфокомунікаційних послуг в телекомунікаційних мережах наступного покоління” розглянуто основні принципи процесу функціонування інфокомунікаційних послуг в телекомунікаційних мережах з комутацією пакетів. Зазначено, що одним з ключових елементів в цьому процесі є механізм обміну інформацією.

Проведено порівняльний аналіз двох класів механізмів обміну інформацією: клієнт-серверного та однорангового. Наведено приклади механізмів обміну інформацією обох класів та розглянуто аспекти, пов’язані з реалізацією інфокомунікаційних послуг на базі кожного з них. Для оцінки ефективності використання існуючих протоколів в мережі Ethernet запропоновано використати показник швидкості передавання корисного навантаження, який обчислюється за формулою:

, (1)

де – максимальна інтенсивність передавання кадрів канального рівня, (кадрів/с); – розмір поля даних в кадрі, (біт); – розмір додаткової службової інформації, (біт), при цьому ; – максимальна номінальна швидкість передавання інформації в мережі Ethernet, (біт/с); – розмір кадру Ethernet, (біт); – розмір технологічної паузи між кадрами Ethernet, (c).

На підставі проведеного аналізу зроблено такі висновки:–

реалізація послуг, спрямованих на спільне використання розподілених інформаційних ресурсів, ускладнена або взагалі неможлива без використання однорангових механізмів обміну інформацією;–

послуги, зорієнтовані на функціонування в глобальних інформаційних мережах, є малоефективними при використанні в мережах, не розділених маршрутизаторами;–

існує окремий вид послуг, спрямованих на анонімний обмін інформацією між вузлами телекомунікаційної мережі. Реалізація таких послуг практично неможлива при використанні відомих механізмів обміну інформацією.

Як типовий механізм обміну інформацією, що використовується для реалізації послуг, зорієнтованих на спільне використання розподілених інформаційних ресурсів в глобальних телекомунікаційних мережах, розглянуто піринговий (від фрази “peer-to-peer” - “рівний до рівного”) механізм Gnutella.

Проведений аналіз пірингового механізму Gnutella показав, що його використання є повністю виправданим в глобальних телекомунікаційних мережах, однак є занадто неефективним для використання в межах одного широкомовного домену. Прикладом телекомунікаційних мереж, організованих на базі одного широкомовного домену можуть бути мережі, побудовані за технологією Ethernet, які останнім часом використовуються не тільки як мережі доступу або сегменти корпоративних (або домашніх) мереж, а також для організації міських, зонових та магістральних мереж.

Серед недоліків використання механізму Gnutella в межах одного широкомовного домену було зазначено низьку ефективність процедури формування переліку відомих вузлів (шляхом послідовного передавання запиту від одного вузла до іншого), а також певну централізованість такої мережі, яка пояснюється потребою в наявності принаймні одного відомого вузла для початку процедури трансляції запиту.

Таким чином, реалізація широкого спектра послуг, спрямованих на спільне використання розподілених інформаційних ресурсів, а також на анонімний обмін інформацією в межах одного широкомовного домену телекомунікаційної мережі, суттєво ускладнена або взагалі неможлива при застосуванні відомих клієнт-серверних або пірингових механізмів обміну інформацію. Отже, розробка нового механізму обміну інформацією, що дозволить вирішити зазначені проблеми, а також його реалізація є сьогодні актуальним питанням.

У другому розділі “Механізм організації віртуальних пірингових каналів” для забезпечення реалізації послуг, спрямованих на спільне використання розподілених інформаційних ресурсів, пропонується мережна та математична модель нового механізму обміну інформацією, який належить до класу пірингових. В основу цього механізму покладено організацію віртуальних пірингових каналів. Загальна схема функціонування ВПК складається з чотирьох етапів: запит-відповідь, встановлення віртуального з’єднання, передавання даних та завершення з’єднання.

Організація ВПК. ВПК вважається повністю сформованим після успішного завершення двох перших етапів, кожен з яких поділено на дві характерні стадії (рис. 1). На першій стадії джерело надсилає широкомовний (broadcast) запит кінцевій множині вузлів {1, 2,…, N}, що входять до широкомовного домену мережі Ethernet. Після отримання запиту кожен вузол з множини проводить аналіз інформації, що міститься в запиті, та приймає рішення про відправлення (або невідправлення) джерелу відповіді та у випадку необхідності формує відповідь на запит джерела. Лише деяка кінцева множина вузлів {1, 2,…, M}, що містять необхідну джерелу інформацію або запитану послугу, відповідає джерелу, при цьому .

Рис. 1. Схема процесу організації ВПК та потокова діаграма подій.

Аналіз та уточнення інформації, що міститься у відповідях, які отримані від M вузлів, приводить до того, що запити на організацію ВПК формуються до меншої або рівної M кількості вузлів L, тобто L M.

На третій стадії джерело надсилає запити про організацію пірингових каналів до деякої кінцевої множини відібраних вузлів {1, 2,…, L}. Після отримання відповідних запитів та реалізації процедури перевірки можливості встановлення з’єднання лише деяка кінцева множина вузлів {1, 2,…, K} підтверджує організацію ВПК та відповідає джерелу, при цьому KL. Кінцеві множини вузлів, що розглянуті на стадіях організації пірингових каналів, пов’язані співвідношенням та .

Анонімний та неанонімний обмін інформацією. З метою реалізації послуг, що базуються на принципах анонімного обміну інформацією, запропонований механізм передбачає організацію ВПК двох типів: неанонімних (відкритих) та анонімних (закритих). Основні відмінності в процедурах формування таких каналів полягають в способі адресації кадрів Ethernet, що містять пірингові повідомлення, та способі ідентифікації цих повідомлень в межах вузлів. Так, для відкритих ВПК передбачається використання реальних MAC-адрес, які можна отримати засобами операційної системи з мережного адаптеру, а для закритих каналів як MAC-адреса одержувача має використовуватися широкомовна адреса, а як MAC-адреса відправника – будь-яка адреса, відмінна від реальної. Ідентифікація пірингових повідомлень при цьому може здійснюватися за допомогою спеціальних додаткових ідентифікаторів, що формуються з використанням генератора псевдо-випадкових чисел при кожному з’єднанні.

Ймовірність організації віртуальних каналів. Всі процеси, що можуть відбуватися під час організації ВПК, можна розглядати як сукупності попарно-несумісних подій , кожна з яких утворює повну систему подій. Будемо вважати, що виконання лише частини подій у строгій послідовності () та умовній залежності одне від одного може привести до організації віртуального каналу. Подія настає лише в тому випадку, коли на запит джерела вузол надсилає відповідь, подія настає у випадку, коли джерело приймає відповідь на обробку, подія характеризує позитивне рішення джерела щодо утворення ВПК з вузлом, який надіслав відповідь на першому етапі, подія настає у випадку, коли вузол підтвердив можливість створення ВПК на четвертій стадії, а подія – у випадку, коли джерело одержало надіслане підтвердження та обробило його. При цьому, подія відбувається тільки тоді, коли не відбулася подія .

Будемо вважати, що ймовірність настання події , а умовна ймовірність настання події у випадку, якщо всі інші події, що передують їй під час організації ВПК, вже настали. Таким чином, загальна ймовірність успішного завершення процесу організації ВПК при одержанні вузлом запиту від джерела може бути визначена як:

. (2)

Для оцінки залежності кількості організованих ВПК від загальної кількості надісланих запитів введемо поняття коефіцієнта результативності запиту (математичне очікування дискретної випадкової величини, що має біноміальний закон розподілу), за допомогою якого можна розрахувати орієнтовну кількість ВПК, що будуть утворюватися від одного запиту джерела.

В цьому випадку середню кількість ВПК , що утворяться в мережі, до складу якої входять N вузлів, за період часу , можна розрахувати за формулою:

, (3)

де – середня кількість широкомовних запитів, що буде надіслано N джерелами (кожен вузол мережі може виступати як джерело) за період часу при середній інтенсивності запитів від одного вузла .

Наведені викладки дозволяють визначити лише середню кількість ВПК, що організовуються в мережі протягом певного часу, та не можуть використовуватися для оцінки часових характеристик організації ВПК, які є одним з основних параметрів, що визначають якість обслуговування користувачів при використанні механізму обміну інформацією.

Для оцінки часових характеристик організації ВПК в дисертаційній роботі було розроблено математичну модель простішої пірингової мережі. Припустимо, що потік запитів та відповідей на них від кожного з вузлів на першому етапі створення ВПК являє собою найпростіший потік. У цьому випадку вузли мережі, до яких направлено потік запитів з інтенсивністю на першій стадії формування ВПК, можуть бути зображені у вигляді одноканальних систем масового обслуговування (СМО) з необмеженою чергою, тобто СМО типу M|M|1. Час обслуговування у вузлах мережі – показниковий з параметром . Коефіцієнт завантаженості системи , тобто СМО працює в стаціонарному режимі. Час обробки запиту на першій стадії може бути розраховано за формулою Літтла для СМО з необмеженою чергою:

. (4)

На другій стадії M вузлів, що містять необхідну інформацію, відповідають джерелу з інтенсивністю . В результаті суперпозиції потоків, від вузлів мережі до джерела, інтенсивність загального потоку може бути розраховано як . Після відправлення відповідей вузлами мережі на джерелі формується черга довжиною M та відповіді оброблюються з інтенсивністю обслуговування . Цей процес може бути розглянуто у вигляді одноканальної СМО з обмеженням по довжині черги, тобто СМО типу M|M|1|M. Для такої СМО час обслуговування також показниковий з параметром . СМО працює в стаціонарному режимі лише при <1. В цьому випадку час обробки відповіді для другої стадії може бути розраховано за формулою Літтла для СМО з обмеженням по довжині черги:

, (5)

де – середня кількість відповідей, що обслуговуються або очікують в черзі; – середня кількість відповідей, що обслуговуються в СМО; – середня кількість відповідей, що очікують в черзі.

Вузли, які відповідають на запит джерела на третій стадії формування ВПК, моделюються СМО з необмеженою чергою, а джерело, що оброблює відповіді на четвертій стадії, у вигляді СМО з обмеженням по довжині черги K. Час обробки запитів та відповідей може бути розраховано за наведеними вище формулами (3) та (4), в яких замість , , , , M, необхідно використовувати параметри ,,, та K відповідно. При цьому час, що витрачається на організацію ВПК, може бути розрахований за формулою:

. (6)

Забезпечення заданого класу обслуговування. Основними параметрами, що визначають якість обслуговування (Quality of Service), є час організації ВПК, тобто час між відправленням широкомовного запиту до N вузлів та одержанням підтверджень від K вузлів про організацію віртуальних каналів, а також час обміну інформацією заданого обсягу в межах одного віртуального каналу. При цьому клас обслуговування (Class of Service) може характеризуватися параметром , який визначає максимально припустимий час організації ВПК, а також параметром , який визначає максимально припустимий час передавання інформації в межах ВПК.

Для додержання встановленого параметрами та класу обслуговування в дисертаційній роботі запропоновано використати алгоритм регулювання інтенсивності запитів джерела. Максимально припустима інтенсивність запитів для додержання необхідного часу організації ВПК здійснюється шляхом табулювання значень функцій, заданих формулами (4,5), а максимально припустима інтенсивність запитів для додержання заданого часу передавання інформації в межах ВПК визначається за формулою:

, (7)

де – максимальна кількість ВПК, що можуть одночасно існувати в мережі; – середній обсяг інформації, що передається в межах одного ВПК, (біт); – швидкість передавання корисного навантаження, визначена за формулою (1), (біт/с).

Серед обчислених максимально припустимих інтенсивностей обирається найменше значення, яке використовується для визначення розміру штучної паузи між запитами . Розмір такої паузи може бути визначений за формулою:

, (8)

де – припустима для використання послугою пропускна спроможність каналу зв’язку, (біт/с); – розмір модифікованого кадру, що використовується для передавання запитів та відповідей, (біт); – мінімальне з двох значень інтенсивності, при якому забезпечується клас обслуговування, заданий параметрами та .

У третьому розділі “Практична реалізація механізму організації віртуальних пірингових каналів в Ethernet мережах” розглянуто найбільш важливі аспекти реалізації запропонованого механізму обміну інформацією у вигляді телекомунікаційного протоколу та спеціального телекомунікаційного програмного забезпечення. Протокол організації віртуальних пірингових каналів в мережі Ethernet характеризується своїми логічними та процедурними характеристиками.

Логічні характеристики протоколу. Основною логічною характеристикою протоколу є формат пірингового повідомлення (модифікованого кадру Ethernet), який визначає тип та зміст службової інформації, що необхідна для організації та підтримки роботи ВПК.

На рис. 2 поля пірингового повідомлення мають такі значення: “Прапорці” – поле, що містить змінні параметри, які визначають правила обробки пірингових повідомлень вузлами мережі; “Анонімність” – характеризує тип пірингового повідомлення (анонімне – 1 або неанонімне – 0); “Тип повідомлення” – визначає тип пірингового повідомлення (запит, відповідь, підтвердження тощо); “Розмір ідентифікатора” – визначає розмір полів “Ідентифікатор відправника” та “Ідентифікатор одержувача” в байтах, який розраховується за формулою , де с – значення, що визначається полем “Розмір ідентифікатора”; “Ідентифікатор відправника”, “Ідентифікатор одержувача” – містять ідентифікуючу інформацію та призначені для зіставлення пірингових повідомлень конкретному каналу в межах вузла; “Дані” – містить дані протоколів більш високих рівнів.

Рис. 2. Формат пірингового повідомлення та спосіб його інкапсуляції.

Процедурні характеристики протоколу. До основних процедурних характеристик протоколу організації ВПК належать адресація, процедура встановлення з’єднання, а також алгоритми обробки пірингових повідомлень у вузлах мережі та забезпечення гарантованої якості обслуговування.

Програмна реалізація. Програмну реалізацію механізму організації ВПК було здійснено у вигляді бібліотеки функцій програмного інтерфейсу API (Application Programming Interface). Бібліотека реалізує алгоритми роботи механізму та безпосередньо взаємодіє із застосовними процесами та допоміжною бібліотекою. Допоміжна бібліотека (Packet Sniffer SDK або WinPcap) взаємодіє з драйвером мережного адаптера та реалізує функції відправлення кадрів Ethernet довільного формату.

У четвертому розділі “Експериментальні дослідження та імітаційне моделювання процесів організації віртуальних пірингових каналів” наведено результати експериментальних досліджень роботи пірингової послуги, а також описано розроблену імітаційну модель пірингової мережі.

Для проведення експериментальних досліджень було розроблено спеціальне програмне забезпечення, яке своєю функціональністю відтворювало роботу пірингової послуги, що реалізує роботу системи відстеження змін інформаційного наповнення на вузлах мережі. Кожен з вузлів мережі періодично (з середньою інтенсивність 0,09 запитів/с) надсилав інформативні запити (із зазначенням часу останнього опитування) всім вузлам мережі з метою одержати від них інформацію про наявні інформаційні ресурси (перелік файлів в заданому каталозі). Кожен вузол обробляв прийнятий запит в середньому протягом 1,5 с. Якщо з моменту останнього запиту наповнення каталога було змінено, вузол відповідав джерелу, зазначаючи, які саме файли було змінено. Джерело, в свою чергу, аналізувало всі одержані відповіді (в середньому по 1 с на відповідь) та утворювало ВПК з вузлами, на яких було виявлено зміни, з метою синхронізувати інформативне наповнення.

Розроблене програмне забезпечення послідовно встановлювалося на 12 робочих станціях, що дозволило визначити реальний вплив кількості вузлів мережі на такі параметри, як середній час організації ВПК, середню інтенсивність запитів та середню кількість організованих ВПК. З графіків залежності часу організації ВПК (рис. 3, а), а також загальної інтенсивності запитів (рис. 3, б ) від кількості вузлів експериментальної мережі видно, що в звичайному режимі (штрих-пунктирна лінія із квадратами) час організації ВПК різко зростає при збільшенні кількості вузлів та обмежується лише штучним способом, шляхом обмеження часу очікування відповідей на етапі “запит-відповідь”. Однак, при застосуванні підсистеми контролю забезпечення якості обслуговування (штрих-пунктирна лінія із хрестиками), час організації ВПК залишається незмінним (максимальний розмір часу організації ВПК було встановлено на рівні 10 с), а загальна (сумарна) інтенсивність запитів підтримується на одному рівні (рис. 3,б) за рахунок штучного збільшення розміру паузи між запитами.

Було показано, що проведення експериментальних досліджень можливе лише при невеликій кількості вузлів мережі та значно ускладнене при кількості вузлів більше десяти або в умовах застосування декількох послуг одночасно. Для вирішення цієї проблеми було розроблено імітаційну модель пірингової мережі.

Побудована імітаційна модель базується на ієрархічному зображенні об’єктів (вузли мережі містять пірингові послуги, кожна з яких може мати одночасно декілька ВПК) та багаторазовому проходженні циклу моделювання. Під час проходження циклу моделювання здійснюється поступове опитування всіх вузлів (та послуг) на предмет необхідності відправлення запиту або переведення процесу утворення нового ВПК до наступної стадії. Процес надсилання та одержання кадрів Ethernet замінено на операції із спеціально утвореним буфером (відповідно запис та зчитування). Такий підхід не враховує технологічних особливостей обміну кадрами канального рівня (наприклад, виникнення колізій), однак дозволяє імітувати роботу мережного середовища на рівні, достатньому для визначення основних статистичних характеристик.

Розміри штучних затримок, а також рішення щодо позитивної або негативної обробки запитів (відповідей) базуються на введених користувачем вихідних даних, що дозволяє імітувати роботу конкретної послуги за характерними для неї показниками затримок та ймовірностей (одержаними, наприклад, під час експериментальних досліджень).

а) б)

Рис. 3. Результати експериментальних досліджень процесів організації ВПК.

Використовуючи імітаційну модель, здійснено оцінку впливу розміру доступної смуги пропускання каналів зв’язку на роботу модуля забезпечення якості обслуговування, досліджено роботу імітаційної мережі в умовах запровадження декількох послуг одночасно тощо.

З метою порівняння результатів імітаційного моделювання з даними експериментальних досліджень та теоретичних розрахунків було проведено низку імітацій з використанням таких самих параметрів, що й при експериментальних дослідженнях. За допомогою методу “найменших квадратів” було оцінено рівень відповідності значень середнього часу організації ВПК одержаного в умовах змінювання кількості вузлів мережі, при проведенні експериментальних досліджень, а також імітаційного та математичного моделювання. Було показано, що одержані рівняння для лінійних фрагментів імітаційного моделювання та експериментальних досліджень мають дуже схожий характер (розбіжності близько 4%) та дещо відрізняються від результатів математичного моделювання (17% та 21% для імітаційного моделювання та експериментальних досліджень відповідно), що пояснюється наявністю затримок (в тому числі штучних) в роботі програмного забезпечення (бібліотеки організації ВПК та імітаційної моделі).

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розроблено новий механізм обміну інформацією, використання якого дозволяє розробляти високоефективні інфокомунікаційні послуги в мережах наступного покоління, зорієнтовані на спільне використання розподілених інформаційних ресурсів та анонімний обмін інформацією. Запропонована реалізація цієї актуальної задачі у вигляді телекомунікаційного протоколу та бібліотеки організації ВПК, дозволяє підвищити ефективність використання телекомунікаційних ресурсів, а розроблені математична та імітаційна моделі дозволяють спростити процес проектування та розробки послуг.

Основні наукові й практичні результати роботи полягають в такому:

1. Вперше формалізовано визначення швидкості передавання корисного навантаження в мережі Ethernet в умовах застосування різних стеків протоколів та запропоновано використати цей показник для оцінки ефективності телекомунікаційних протоколів з точки зору надлишковості передавання службового навантаження.

2. Вперше для організації віртуальних каналів в одноранговій мережі запропоновано підхід, в основі якого лежить широкомовне опитування вузлів мережі інформативним запитом, що дозволяє ще під час встановлення з’єднання відокремити лише ті вузли, що відповідають заданим в запиті умовам. Такий спосіб встановлення з’єднання дозволяє зменшити час опитування, а також завантаженість вузлів під час процедури пошуку ресурсів в телекомунікаційних мережах.

3. Для реалізації анонімного обміну інформацією в мережі запропоновано використати змінювання MAC-адреси одержувача на широкомовну, а адреси відправника на фіктивну. Ідентифікацію повідомлень запропоновано здійснювати за рахунок використання додаткової інформації, що генерується лише на час існування віртуального каналу. Такий алгоритм дозволяє запобігти небажаному встановленню фактичних адрес учасників обміну інформацією з боку третьої особи.

4. На основі процедури організації ВПК було розроблено математичну модель пірингової мережі, яка дозволяє визначити критичні для роботи механізму параметри мережі, сформувати умови роботи вузлів мережі в стаціонарному режимі, а також синтезувати алгоритм роботи модулю забезпечення якості обслуговування.

5. Розроблено специфікацію телекомунікаційного протоколу організації ВПК. Використання цього протоколу дозволяє підвищити швидкість передавання корисного навантаження в порівнянні, наприклад з протоколами TCP/IP.

6. Реалізацію механізму обміну інформацією виконано у вигляді бібліотеки організації ВПК, яка має зручний програмний інтерфейс та дозволяє використовувати всі особливості розробленого механізму.

7. Проведені експериментальні дослідження показали працездатність розробленого програмного забезпечення, а також можливість адаптації механізму до роботи в мережах із збільшеною кількістю вузлів.

8. Розроблено імітаційну модель пірингової мережі, яка дозволяє проводити аналіз статистичних характеристик при масштабуванні мережі або в умовах використання декількох послуг одночасно.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦь ЗА ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ

1. Каптур В.А., Нечипорук О.Л. Механизм создания пиринговых каналов в Ethernet сетях // Зв’язок. – 2005. – № 4. – C. 28–33.

2. Каптур В.А., Нечипорук О.Л. Моделирование процессов создания виртуальных пиринговых каналов в локальных компьютерных сетях // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. – 2005. – № 2. – C. 14–21.

3. Каптур В.А. Протокол організації віртуальних пірингових каналів в локальних комп’ютерних мережах // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. – 2006. – № 2. – C. 85–95.

4. Комп’ютерний програмний комплекс “Імітаційне моделювання та бібліотека створення віртуальних пірингових каналів”: А.с. 20359. Україна. Нечипорук О.Л., Каптур В.А.; Опубл. 03.05.07, Бюл. № 13.

5. Каптур В.А., Нечипорук О.Л. Проблемы создания инфокоммуникационных услуг для телекоммуникационных сетей нового поколения // Зв'язок. – 2004. – № 5. – С. 38–39.

6. Нечипорук О.Л., Каптур В.А. Инфокоммуникационные сервисы для сетей NGN // Збірник доповідей I міжнародного симпозіуму “Телекомунікації без меж”, 18–21 серпня 2004 р. – Одеса: ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2004.

7. Нечипорук О.Л., Каптур В.А. Использование виртуальных пиринговых каналов в Ethernet сетях // Труды международного симпозиума независимых операторов и разработчиков оборудования “Телекоммуникации без границ ІІ”, 8–10 вересня 2005 р. – Одесса: ОНАС им. А.С. Попова, 2005.

8. Каптур В.А. Експериментальні дослідження програмної реалізації протоколу організації віртуальних пірингових каналів в локальних комп’ютерних мережах // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. Матеріали 61-ї науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу та наукових працівників академії “Освіта і наука” – Одеса: 2007. - №1.

9. Нечипорук О.Л., Каптур В.А. Механизм организации виртуальных пиринговых каналов // Каталог аннотаций на разработки по материалам первого украинско-китайского форума “Наука-производство”, 23-25 травня 2007 р. – Харьков: Харьковский национальный университет радиоэлектроники, 2007.

АНОТАЦІЇ

Каптур В.А. Механізм організації віртуальних каналів в однорангових Ethernet мережах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі. – Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, Одеса, 2007.

Дисертаційна робота присвячена вдосконаленню телекомунікаційної інфраструктури, що використовується для забезпечення функціонування інфокомунікаційних послуг, зорієнтованих на спільне використання розподілених інформаційних ресурсів.

Розроблений механізм обміну інформацією передбачає можливість організації віртуальних пірингових каналів за рахунок використання широкомовного інформативного запиту до всіх вузлів телекомунікаційної мережі з можливістю анонімного обміну інформацією.

Розроблений телекомунікаційний протокол, а також системне програмне забезпечення дозволили реалізувати закладені в механізм принципи та надати основу для розробки інфокомунікаційних послуг нового класу.

Ключові слова: пірингові мережі, інфокомунікаційні послуги, встановлення віртуального з’єднання, віртуальний піринговий канал, анонімний обмін інформацією, телекомунікаційний протокол, моделювання телекомунікаційних мереж.

Каптур В.А. Механизм организации виртуальных каналов в одноранговых Ethernet сетях. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 – телекоммуникационные системы и сети. – Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова, Одесса, 2007.

Диссертационная работа посвящена усовершенствованию телекоммуникационной инфраструктуры, используемой для обеспечения функционирования инфокоммуникационных услуг, сориентированных на совместное использование распределенных информационных ресурсов. В работе впервые предложен механизм обмена информацией, который базируется на способе установления виртуального соединения с несколькими узлами телекоммуникационной сети одновременно.

В работе проведен анализ существующих механизмов обмена информацией двух классов: клиент-серверных и пиринговых. На основе проведенного анализа сделан вывод о сложностях (или невозможности) реализации инфокоммуникационных услуг сориентированных на совместное использование распределенных информационных ресурсов, а также указаны проблемные моменты, связанные со снижением эффективности и не возможности организации анонимного обмена информацией, при использовании известных на сегодняшний день механизмов.

Разработанный механизм обмена информацией предусматривает возможность организации виртуальных пиринговых каналов, используя при этом широковещательный информативный запрос ко всем узлам широковещательного домена телекоммуникационной сети. Кроме того, разработанный механизм позволяет проводить полностью анонимный обмен информацией. Среди ключевых преимуществ механизма можно выделить следующие: увеличение гибкости и масштабируемости сети, эффективное использование информационных и телекоммуникационных ресурсов, возможность реализации услуг нового класса.

Разработанная на основе теории массового обслуживания и теории вероятности математическая модель пиринговой сети позволила определить основные критические параметры, влияющие на работу механизма, а также разработать алгоритм подсистемы контроля обеспечения качества обслуживания при организации виртуальных пиринговых каналов.

Предложен новый высокоэффективный телекоммуникационный протокол для обеспечения функционирования разработанного механизма в сети Ethernet. Разработана спецификация логических и процедурных характеристик протокола. Проведенные расчеты показали, что использование такого протокола для транспортирования данных сетью Ethernet эффективнее использования таких известных протоколов, как TCP/IP или SPX/IPX.

Разработано телекоммуникационное программное обеспечение, которое позволяет использовать преимущества предложенного механизма для реализации новых инфокоммуникационных услуг. Проведен анализ ряда вспомогательных программных библиотек, которые можно использовать для обеспечения взаимодействия библиотеки создания виртуальных пиринговых каналов с драйвером сетевого адаптера.

Разработанная имитационная модель, а также проведенные экспериментальные исследования позволили оценить соответствие предложенной программной реализации заложенным принципам, а также исследовать работу пиринговых услуг в телекоммуникационных сетях с большим количеством узлов и существенной нагрузкой.

Идеи, положенные в основу диссертационной работы, были использованы автором при выполнении разнообразных НИР, а также в учебном процессе при подготовке специалистов в рамках курса компьютерных сетей.

Ключевые слова: пиринговые сети, инфокоммуникационные услуги, установление виртуального соединения, виртуальный пиринговый канал, анонимный обмен информацией, телекоммуникационный протокол, моделирование телекоммуникационных сетей.

Kaptur V.A. The mechanism of virtual channels organization in the peer-to-peer Ethernet networks. – The manuscript.

The dissertation work for the degree of PhD on the specialty 05.12.02 – telecommunication systems and networks. – The Odesa National Academy of Telecommunications named after O.S. Popov, Odesa, 2007.

Dissertation work is devoted to improvement of the telecommunication infrastructure used for maintenance of functioning infocommunication services based on sharing of distributed information resources.

The developed mechanism of information interchange provides the opportunity of the virtual peering channels organization, using thus broadcasting informative requests to all hosts of the telecommunication network with the anonymous information exchange opportunity.

The developed telecommunication protocol, and also system software has allowed to realize the basic principles of mechanism and to give the basis for development infocommunication services.

Keywords: peer-to-peer networks, infocommunication services, virtual connection setup, virtual peering channel, anonymous information exchange, telecommunication protocol, telecommunication networks modeling.