НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Мухамед Ель- Амін Бабікер Мухамед

(Судан)

УДК 004.04

Метод і засоби конструювання трафика в мобільних комп'ютерних мережах

Спеціальність 05.13.13 - Обчислювальні машини, системи та мережі

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2007 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут", на кафедрі обчислювальної техніки.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, доцент

Кулаков Юрій Олексійович,

НТУУ "КПІ", професор кафедри обчислювальної техніки. |

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Додонов Олександр Георгійович

заступник директора з наукової роботи Інституту проблем реєстрації інформації НАН України, |

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,

Алішов Надір Ісмаіл-огли

провідний науковий співробітник Інституту кібернетики імені В.М. Глушкова НАН Украіни | Захист відбудеться 22 жовтня 2007 р. о 14:30 на засіданні спеціалізованої ради Д 26.002.02 у НТУУ "КПІ (м. Київ, пр. Перемоги, 37, корп. 18, ауд. 306).

Відзиви на автореферат у двох екземплярах, завірені печаткою установи, просимо надсилати на адресу: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, вченому секретарю НТУУ "КПІ".

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут"

Автореферат розісланий 21 вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради, кандидат технічних наук, доцент |

М.М. Орлова |

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Розширення сфери використання комп'ютерних мереж і підвищення їхньої мобільності пред'являє нові, більш високі вимоги до якості обслуговування трафика різних типів. У зв'язку із цим виникає необхідність у розробці ті аналізі нових інтелектуальних технологій керування мережевою інфраструктурою, які забезпечують оптимізацію процедури конструювання трафика і гарантують задану якість обслуговування при мінімальних витратах мережевих ресурсів.

Під конструюванням трафика (RFC 3227) розуміється сукупність задач маршрутизації, розподіл і управління трафиком, орієнтованих на знаходження для всіх користувачів маршрутів передачі інформації, що задовольняють заданим параметрам якості обслуговування і забезпечують збалансоване завантаження всієї комп'ютерної мережі.

Для сучасних комп'ютерних мереж великої розмірності, у тому числі й для мобільних мереж, характерна багаторівнева структура системи керування й конструювання трафика при якій комп'ютерна мережа певним чином розбивається на підмережі (домени), це дозволяє організувати більш гнучку систему конструювання трафика, використовуючи для кожного рівня найбільш ефективні способи та засоби керування трафиком.

Відомі методи і способи конструювання трафика в основному розраховані на комп'ютерні мережі з фіксованою топологією і ефективність їхнього використання в кожному конкретному випадку у значній мірі залежать від структури комп'ютерної мережі і розміру доменів.

Постійне переміщення абонентів мобільної комп'ютерної мережі приводить до зміни її топології, складу та кількості доменів, це, у свою чергу, відбивається на ефективності функціонування мережі. У зв'язку із цим виникає задача динамічної реконфігурації доменів комп'ютерної мережі.

Таким чином, зі збільшенням швидкодії комп'ютерних мереж, їх динамічної реконфігурації рішення задач, пов'язаних з підвищенням ефективності процедури конструювання трафика здобувають особливу актуальність.

У зв'язку із цим, питання, розглянуті в рамках даної дисертаційної роботи, пов'язані з рішенням задач динамічної реконфігурації структури мобільної комп'ютерної мережі і оптимізації процедури керування трафиком, є актуальними та представляють певний науковий і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами Дисертаційна робота виконувалася відповідно до планів науково-дослідних робіт кафедри обчислювальної техніки НТУУ "КПІ" у рамках:

НДР № 0102U000333 "Побудова масштабованих ізоефективних комп'ютерних систем", яка виконувалась на кафедрі обчислювальної техніки НТУУ "КПІ" в 2002-2004 р.;

НДР № 0201U006269 "Побудова високопродуктивних паралельних обчислювальних систем з архітектурою на основі розподіленої загальної пам'яті", яка виконується на кафедрі обчислювальної техніки НТУУ "КПІ" в 2004-2007 р.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності функціонування мобільних комп'ютерних мереж за рахунок вдосконалення методу і засобів конструювання трафика.

Об'єктом дослідження є клас однорідних мобільних комп'ютерних мереж великої розмірності.

Предметом дослідження є способи і засоби конструювання трафика, що забезпечують необхідний рівень якості передачі інформації в мобільних комп'ютерних мережах великої розмірності.

Основні завдання дослідження, у відповідності до поставленої мети полягають у наступному:

1. Аналіз відомих методів і засобів конструювання трафика, а також визначення основних факторів і ступінь їхнього впливу на ефективність процедури конструювання трафика в мобільних комп'ютерних мережах.

2. Розробка й дослідження способу організації розподіленої системи конструювання трафика на основі агентної технології керування мережевими ресурсами, що забезпечує оптимальний режим функціонування мобільної комп'ютерної мережі.

3. Визначення і обґрунтування критеріїв вибору оптимального розміру доменів і місця розташування їхніх контролерів, що забезпечують мінімальний обсяг службового трафика в мобільній комп'ютерній мережі.

4. Розробка алгоритму формування оптимальної структури доменів і її реконфігурації в залежності від зміни топології мобільної мережі.

5. Розробка алгоритму конструювання трафика в мобільних комп'ютерних мережах, що, у порівнянні з відомими алгоритмами, дозволить при мінімальному обсязі керуючого трафика забезпечити рівномірний розподіл користувацького трафика із заданим рівнем якості обслуговування.

Методи досліджень. Аналіз способів і засобів конструювання трафика базується на використанні основних положень системного аналізу і загальної теорії систем. Теорія графів і теорія множин використовується для рішення завдання вибору оптимальної кількості доменів і місцезнаходження їх контролерів. Аналіз способів і засобів доставки повідомлень базується на використанні основних положень загальної теорії систем.

Наукова новизна отриманих результатів визначається наступними положеннями:

1. Запропоновано і обґрунтований метод конструювання трафика на основі віртуальної підмережі інтелектуальних агентів, що дозволяє оперативно реагувати на зміну стану мобільної комп'ютерної мережі, що, в свою чергу, створює умови для підвищення ефективності функціонування мобільної комп'ютерної мережі.

2. Запропоновано і обґрунтовано новий критерій для вибору місця розташування контролерів доменів конструювання трафика, що забезпечують мінімальний обсяг службового трафика в мобільній комп'ютерній мережі.

3. Вперше запропоновано і розроблено спосіб формування й динамічної реконфігурації доменів, які оптимальним чином адаптуються до зміни топології мобільної комп'ютерної мережі, що дозволяє значно підвищити ефективність функціонування мобільної комп'ютерної мережі.

4. Запропоновано і обґрунтовано спосіб формування маршрутної інформації в мобільних комп'ютерних мережах, що за рахунок оперативної взаємодії агентів конструювання трафиком дозволяє при мінімальному обсязі керуючого трафика забезпечити рівномірний розподіл мережевого трафика із заданим рівнем якості обслуговування.

Практична цінність отриманих результатів дисертаційної роботи визначається тим, що запропонований спосіб конструювання трафика дозволяє істотно підвищити ефективність функціонування мобільних комп’ютерних мереж у рамках об'єднаної мережі. Запропоновані математичні моделі, процедури й алгоритми доведені до практичної реалізації у вигляді програм і можуть бути використані при розробці нового або модифікації існуючих способів конструювання й управління трафиком.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить: [1]- спосіб формування оптимальних шляхів у мобільних мережах; [2] - спосіб формування доменів і алгоритм їх реконфігурації в мобільних комп'ютерних мережах; [3] - спосіб маршрутизації з підтримкою QoS у мобільних мережах з технологією MPLS; [4] - алгоритм оптимального розподілу навантаження в мобільних мережах; [5] - метод розрахунку середнього часу затримки передачі інформації при самоподібному мережевому трафику; [6] - алгоритм формування віртуальних підмереж; [7] - математична модель розрахунку основних тимчасових параметрів передачі даних з різним рівнем пріоритету й фрактальним характером трафика; [8] - алгоритм конструювання трафика в мобільних мережах.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи обговорювалися на:

Шостій міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні і електронні технології" (23-27 травня 2005 р. Одеса. Україна).

Сьомій міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні й електронні технології" (22-26 травня 2006 р. Одеса. Україна).

Науково-практичної конференції "Комп'ютерні системи і мережеві технології" (20-22 березня 2007р. м. Київ. Україна)

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 8 наукових працях, серед яких 5 – наукові статті в журналах, затверджених ВАК, і 3 публікації матеріалів конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох глав, висновків і додатка. Загальний обсяг роботи становить 125 сторінок друкованого тексту, 47 малюнків, 3 таблиці, і списку використаної літератури з 120 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, наведено характеристику отриманих теоретичних та практичних результатів, показаний особистий внесок здобувача. Вказано де відбувалась апробація роботи та загальну характеристику публікацій.

У першому розділі визначена область і об'єкт дослідження в якості якого розглядаються мобільні комп'ютерні мережі великої розмірності.

На основі аналізу літературних джерел показано, що підвищення якості обслуговування в динамічно реконфігуровуваних комп'ютерних мережах значною мірою залежить від рішення ряду взаємозалежних задач розробки і впровадженню інтелектуального методу керування мережею, ефективного методу організації структури комп'ютерної мережі, методів і алгоритмів маршрутизації. Аналіз стану цих питань, шляхи їхнього ефективного рішення розглядаються в першому розділі. Зокрема приводиться критичний огляд методів забезпечення якості обслуговування в сучасних комп'ютерних мережах і оцінюється ефективність їхнього використання в динамічно реконфігуровуваних мережах. Заданий рівень якості обслуговування досягається підтримкою певної смуги пропущення, скороченням ймовірності втрати кадрів, виключенням або керованістю мережевих перевантажень, можливістю конфігурування мережевого трафика.

Як найбільш перспективний напрямок рішення даного завдання розглядається технологія, заснована на концепції управління на основі взаємодії між керуючими програмними компонентами, що одержали назву інтелектуальних агентів. Кожен такий агент забезпечує керування доступними для нього інформаційними ресурсами, використовуючи для цього набір власних цільових параметрів і зовнішніх впливів.

В основі даного підходу лежить концепція використання інтелектуальних агентів. Агенти працюють автономно і можуть зв'язувуватися з користувачем, системними ресурсами і іншими агентами для виконання завдання.

Основним предметом досліджень при побудові інтелектуальних систем керування мережевими ресурсами є алгоритми аналізу і обробки оперативної інформації про стан мережевих процесів, за допомогою яких можна спрогнозувати її майбутні стани. У силу розподіленості і стохастичного характеру зв'язків між мережевими компонентами, система керування повинна мати структурну стійкість або, інакше кажучи, забезпечувати плавну зміну своїх функціональних можливостей у випадку втрати координуючих впливів або порушенні роботи окремих підсистем, пов'язаних з можливою реконфігурацією топології мережі. Тому системи інтелектуального керування можуть стати основою для побудови нового покоління інформаційних додатків, функціонування яких здійснюється за допомогою взаємодії мережевих агентів. Кожен мережевий агент забезпечує локальне керування доступними для нього мережевими ресурсами, використовуючи для цього набір власних цільових умов і зовнішніх впливів, які задаються. Використання концепції мережевих агентів додає в механізм управління принципово нові можливості впливу на стан мережевого об'єкта. На відміну від традиційної мережевої архітектури, у якій існує чітка регламентація правил взаємодії між рівнями, у новій архітектурі управління структура зворотного зв'язку формується в процесі взаємодії інтелектуальних агентів залежно від поточного стану мережевих ресурсів. Характер процесів взаємодії визначається сукупністю факторів:–

неструктурованим характером розташування інформаційних ресурсів у мережі;–

необхідністю підтримувати різні класи сервісу в рамках єдиної транспортної мережевої інфраструктури.

Рішення описаних вище задач мережевої взаємодії можливо на шляху використання інтегрованих засобів керування ресурсами комп'ютерної мережі. Розглянуті підходи формування систем керування мережевими процесами і об'єктами дозволяють сформулювати актуальні проблеми, які необхідно вирішити для створення нового покоління комп'ютерних мереж. Ці проблеми, насамперед, пов'язані із завданням розробки нових моделей і засобів керування мережевими процесами, що враховує властивості динамічної реконфігурації комп'ютерної мережі і динаміку мережевого трафика.

Отже, подальший успішний розвиток сучасних мережевих технологій визначає необхідність розробки якісно нової технології інтелектуального керування мережею, здатною забезпечити оптимізацію режимів роботи комп'ютерної мережі і гарантувати якість обслуговування в реальному часі при мінімальних витратах мережевих ресурсів.

У другому розділі наведено дослідження залежності обсягу керуючої інформації від кількості вузлів домена і ступеня зв’язності

Комп'ютерна мережа представлена у вигляді неорієнтованого навантаженого графа: G = (V, E), де: V ={vi i=1,2,…,n}–множина вершин графа, E ={ei,j i=1,2,…,n; j=1,2,…,m}–безліч ребер графа, інцидентних суміжним вершинам vi і vj. Кожному ребру ei,j графа G = (V, E) зіставлене деяке значення його ваги, wi,j = (ci,j, di,j, pi,j), де: ci,j – вартість передачі інформації; а di,j – затримка передачі інформації; pi,j - ймовірність видалення ребра ei,j із графа. Відповідно, вираз si,j = 1– pi,j характеризує стійкість каналу передачі даних між суміжними АС. Стійкість Sn,m шляху Pn,m є функцією від стійкості всіх ребер даного шляху, тобто Sn,m = ( si,j ei,j Pn,m ).

З метою оптимізації процедури ремаршрутизації в роботі розбивка мережі на домени зведена до завдання формування на заданій множині V ={vi i=1,2,…,n }вершин графа G = (V, E) нечітких множин з максимальною сумою кардинальних чисел [4]. Вираз являє собою пару , де: - функція приналежності vi нечіткій сумі Aj, що змінюється в межах [0,1]. На підставі значення визначається доцільність формування і зберігання маршрутної інформації для вершини vi у контролері домена Dj. За умови 0.5 1 у контролері домена Dj для вершини vi формується й підтримується маршрутна інформація. Значення = 1 відповідає нерухомому вузлу, для якого маршрутна інформація формується тільки в одному з контролерів домена. При значеннях = 0.5 маршрутна інформація одночасно формується у двох суміжних доменах. Це дає можливість скоротити час ремаршрутизації при переміщенні мобільної вершини.

У роботі [2] наведений аналіз впливу ступеня вузлів мережі на обсяг керуючої інформації всередині домена. Отримано середню кількість пакетів, яка розповсюджується за один такт роботи лавинного алгоритму:

У цьому випадку середній об’єм керуючого трафика лавиноподібно розповсюджується по мережі при переміщенні одного вузла мережі і дорівнює:

У роботі показано, що відомі методи формування доменів і вибору місця розташування їхніх контролерів не ефективні для мобільних мереж, структура яких постійно змінюється. У зв'язку із цим для вибору вершини комп'ютерної мережі в якості контролера домена в дисертаційній роботі запропонований і обґрунтований критерій dk(vi) щільності k-го порядку мережевого оточення вершини vi.

Критерій dk(vi) характеризує відносну зв’язність вершини vi у своєму k-ому оточенні та являє собою відношення загального числа ребер у підграфі, утвореному k-им оточенням вершини , до її ступеня. Як контролер домену вибирається вузол мережі, що відповідає вершині з максимальним значенням dk(vi). характеризує відношення між кількістю зв'язків і кількістю вузлів в k-мережевому оточенні. Це сприяє підвищенню стійкості функціонування мережі і зниженню обсягу керуючого трафика.

Розглянуто діапазон зміни значень критерію dk(vi) залежно від структури мережі і характеру зв’язності її вузлів. Для лінійної або деревоподібної структури графа комп'ютерної мережі, які являють собою слабозв’язні структури в одиничному мережевому оточенні значення . У цьому випадку величина параметра буде мінімальною

Для комп'ютерної мережі з повнозвязною плоскою топологією при ступені вершини рівній n і одиничному мережевому оточенні значення . Справді, потужність дорівнює ступеню вершини . По визначенню повнозв’язності всі суміжні вершини зв'язані між собою ребрами, кількість яких дорівнює (n-1)(n-2)/2. У цьому випадку вираз (1) дорівнює:

Відповідно, отримуємо наступне співвідношення величин і .

Для комп'ютерної мережі з повнозвязною плоскою топологією степінь центральної вершини дорівнює = n-1 і одиничному мережевому оточенні значення . Справді, потужність множини дорівнює ступеню вершини . По визначенню повнозв’язності всі суміжні вершини зв'язані між собою ребрами, загальна кількість яких дорівнює n. У цьому випадку вираз (1) дорівнює: .

У свою чергу, для комп'ютерної мережі з повнозвязною плоскою топологією степінь бічної вершини дорівнює = 3, а значення . У цьому випадку значення виразу (1) дорівнює: .

Значення k вибирається залежно від розміру мережі, на початковому етапі формування інфраструктури мережі значення k приймається рівним одиниці. У дисертаційній роботі показано, що вибір контролера домена на основі dk(vi) дозволяє скоротити обсяг керуючої інформації при реконфігурації мережі приблизно в dk(vi) раз.

В якості додаткового параметра, що впливає на вибір місця розташування контролера домена використовується стійкість каналу передачі даних л(i,) між двома суміжними вершинами і та дорівнює:

У третьому розділі розглянуті методи формування і підтримки оверлейної структури системи конструювання трафика, що дозволяє мінімізувати обсяг маршрутної інформації і частоту її відновлення. При цьому мережа розбивається на віртуальні підмережі, кожна з яких складається з доменів. Як контролер домена виступають інтелектуальні агенти конструювання трафика. У процесі функціонування мережі здійснюється реконфігурація доменів з метою скорочення часу передачі інформації і оптимізації мережевого трафика.

У процесі самоорганізації мобільної комп'ютерної мережі формується оверлейна структура системи інтелектуальних агентів конструювання трафику. При цьому кожний з інтелектуальних агентів забезпечує конструювання трафику у певній групі вузлів, об'єднаних у відповідний домен конструювання трафика.

У роботі показано, що запропонований спосіб формування системи конструювання трафика не критичний до вибору початкової вершини, у якості якої може бути обрана довільна вершина. Це є основою передумовою для розробки розподіленого алгоритму формування структури системи конструювання трафика і полягає в наступному:

На початковому етапі формування структури системи конструювання трафиком визначається кількість і місце розташування агентів керування трафиком на основі критерія dk(vi) щільності k-го порядку.

Для цього виконується наступна послідовність операцій:

1. Кожен вузол viV комп'ютерної мережі формує безліч Г(vi) суміжних з ним вузлів.

2. На підставі множинуі Г(vi) і ступеня (vi) кожен вузол vi формує свій коефіцієнт щільності dk(vi) .

3. Вузли viV обмінюються між собою значеннями dk(vi).

4. Кожен вузол viV порівнює власне значення dk(vi) з усіма значеннями dk(vj) вузлів vj Гk (vj).

5. Якщо dk(vi) > dk(vj) вузлів vj Гk (vj), то вузол vi вважає себе контролером домена. Будучи контролером домена, вузол vi починає формувати домен D (vi), включаючи у свій склад всі вузли vj Гk (vj).

6. Потім аналогічним чином з вузлів vm D (vi) формується наступних домен і так далі.

7. У результаті формується сукупність {Dj (vi) } доменів конструювання трафика.

У результаті переміщення вузлів відбувається зміна топології комп'ютерної мережі, що у деяких випадках може викликати необхідність реконфігурації доменів.

Дана процедура полягає в наступному:

1. При переміщенні вузла vm перевіряється приналежність його до одного з доменов {Dj (vi) } .

2. При відсутності ознаки приналежності до одного з доменів вузла vm починається процедура пошуку найближчого домена, яка полягає в обміні інформацією з контролерами суміжних доменов.

3. При виконанні умови входження в домен, АС підключається до домену, при цьому контролер домена повідомляє всіх членів домена про новий член домена.

4. Якщо АС не може бути включена хоча б в один з доменов, вона починає процедуру формування власного домена, оголошуючи себе головою домена.

5. За рахунок перерозподілу АС, що входять до складу суміжних з утвореним доменом, здійснюється динамічна реконфігурація мережі й відновлення таблиць маршрутизації.

Вихідними параметрами є наступні величини: степінь початкової вершини нового домена (Head_NC); степінь АС при наявності декількох станцій з однаковою кількістю зв'язків з вершинами даного домена; максимальний діаметр домена; максимальне число вузлів у домені. У якості однієї з основних умов зменшення складності маршрутизації всередині домена розглядається обмеження на число пересилань між будь-якими двома АС домена.

Позначимо D(vi) як домен, контролером якого є вузол vi якому й H(vi) як заголовок даного домена.

У четвертому розділі розглядаються питання формування маршрутної інформації і рівномірний розподіл трафика

Однією з основних задач конструювання трафика є завдання визначення маршрутів передачі інформації, що задовольняють заданим параметрам QoS.

Оптимальні шляхи передачі даних розраховуються на основі складної метрики маршрутизації [3].

Складена метрика маршрутизації М(н,), використовується для визначення оптимального маршруту P(н,) | P G між двома вершинами v і u, де (v,) V, визначається в такий спосіб:

Для системи з експонентним часом обслуговування і самоподібним трафиком величина середнього часу затримки в буфері дорівнює [5] :

де - середній час одного обслуговування заявки у вузлі комутації без обліку часу очікування, Н- параметр Херста, значення якого лежить у межах залежно від навантаження в мережі.

Для системи з постійним часом обслуговування (M/D/1) залежність середнього часу затримки в буфері від середнього коефіцієнта використання маємо [7]:

Стійкість л(н,) шляху P(н,) між двома вершинами v і u являє собою функцію стійкості всіх ребер даного шляху:

Загалом, стійкість шляху P(н,) | P G між двома вершинами v й u, де (v,) V, визначається наступним виразом:

Завдання рівномірного розподілу трафика вирішується за допомогою мінімізації функції вартості шляхом оптимізації розподілу трафика [4]:

і представлена в наступному виді:

Мінімізувати

з врахуванням обмежень

На основі аналізу відомих методів розподілу трафика запропонований новий спосіб розподілу трафика в мобільних мережах з технологією MPLS. При цьому вибір шляху передачі інформації здійснюється на основі модифікованої таблиці відповідності. У порівнянні зі стандартною таблицею сюди включені поля для hash - функції і обсягу переданого трафика. Ця інформація використовується для більш рівномірного розподілу трафика.

У роботі представлена модель переходу між станами пристрою поділу потоків. На підставі цієї моделі розроблені алгоритми поділу і об'єднання потоків. З метою оцінки ефективності запропонованого способу розподілу потоків і реалізованого на його основі алгоритму було проведено імітаційне моделювання за допомогою системи OPNET.

На основі результатів моделювання зроблений висновок про те, що запропонований алгоритм дозволяє розподіляти трафик більш ефективно, ніж статичне налагодження шляхів LSP. В середньому при застосуванні розробленого алгоритму нерівномірність використання каналів становить не більше 10%, а при значних змінах інтенсивності потоків за короткий час становить близько 30%. Це свідчить про досить високу ефективність даного алгоритму.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ І РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

У дисертаційній роботі наведено теоретичне обґрунтування і нове рішення наукової задачі, що полягає в новому підході до конструювання трафика, що сприяє підвищенню ефективності функціонування мобільних комп'ютерних мереж за рахунок організації розподіленої системи конструювання трафика на основі агентної технології управління мережевими ресурсами, що забезпечує оптимальний режим функціонування мобільної комп'ютерної мережі.

Рішення цієї проблеми досягається завдяки застосуванню теорії графів і теорії нечітких сукупностей, які використовуються при рішенні завдання формування динамічної структури системи конструювання трафика. У практичному плані використання отриманих результатів дозволяють підвищити ефективність управління мобільною мережею за рахунок вибору оптимальної структури мережі і ефективного алгоритму конструювання трафика.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Запропоновано і обґрунтований метод конструювання трафика на основі віртуальної підмережі інтелектуальних агентів, що дозволяють оперативно реагувати на зміну стану мобільної комп'ютерної мережі, що створює умови для підвищення ефективності її функціонування.

2. Запропоновано і обґрунтовано новий критерій для вибору місця розташування контролерів доменів конструювання трафика, що забезпечують мінімальний обсяг службового трафика в мобільній комп'ютерній мережі .

3. Запропоновано і обґрунтовано спосіб конструювання трафика в мобільних комп'ютерних мережах, що за рахунок оперативної взаємодії агентів конструювання трафика дозволяє при мінімальному обсязі керуючого трафика забезпечити рівномірний розподіл мережевого трафика із заданим рівнем QoS.

4. Вперше запропоновано і розроблено алгоритм формування і динамічної реконфігурації розподіленої системи конструювання трафика, що адаптується до зміни топології мобільної комп'ютерної мережі, яка дозволяє підвищити ефективність функціонування мобільної комп'ютерної мережі.

5. Розроблено структуру і алгоритми функціонування контролера домена системи конструювання трафика, що підтримує архітектуру MPLS і забезпечує рівномірний розподіл трафика при заданих параметрах QoS за рахунок вибору в кожному конкретному випадку найбільш оптимального способу маршрутизації.

6. Із практичної точки зору, отримані в роботі результати, дозволяють підвищити ефективність функціонування мобільних комп'ютерних мереж за рахунок вибору оптимальної структури мереж й ефективного алгоритму керування трафиком.

Основні результати відображені в наступних публікаціях:

1. Клименко И.А., Аль Рабабах Мохаммед Абдель-Кадер, Ель Амин Бабикер М. Организация виртуальных каналов в мобильной сети Интернет // Вісн. Національного техн. ун-ту України “КПИ”: Інформатика, управління та обчислювальна техніка. – К.: ТОВ “ВЕК+”, 2004. – Вип. . – С.84–93. Автором запропоновано спосіб формування оптимальних шляхів у мобільних мережах.

2. Кулаков Ю.А., Мухамед Ель Амин Бабикер. Адаптивный алгоритм формирования доменов в динамических системах // Вісн. Національного техн. ун-ту України “КПИ”: Інформатика, управління та обчислювальна техніка. – К.: ТОВ “ВЕК+”, 2006. – Вип. . – С.57–66. Автором запропоновано спосіб формування доменів і алгоритм їх реконфігурації в мобільних комп'ютерних мережах.

3. Клименко И.А., Аленина Н.А., Мухамед Ель Амин Бабикер Маршрутизация с заданными параметрами QoS в мобильных сетях с технологией MPLS // Проблеми інформатизації та управління: Зб.наук.пр.– К.: НАУ, 2006.– Вип.17. – С. 81-84. Автором запропоновано спосіб маршрутизації з підтримкою QoS у мобільних мережах з технологією MPLS.

4. Давиденко И.Н., Мухамед Ель Амін Бабікер Мухамед Оптимизация нагрузки в мобильных сетях // Вісн. Національного техн. ун-ту України “КПИ”: Інформатика, управління та обчислювальна техніка. – К.: ТОВ “ВЕК+”, 2007. – Вип. . – С.167–176. Автором запропоновано алгоритм оптимального розподілу навантаження в мобільних мережах.

5. Богданова Н.В. , Мухамед Ель Амин Бабикер Анализ временных параметров телекоммуникационных сетей при самоподобном трафике//Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць №1 (48).-Дніпропетровськ, 2007 – С.101-111. Автором запропоновано метод розрахунку середнього часу затримки передачі інформації при самоподібному мережевому трафику.

6. Ю.А. Кулаков, Мухамед Ель Амин Бабикер, Рамессар Сурийур Кумар Адаптивный распределенный алгоритм формирования доменов в мобильных сетях // Труды шестой международной научно-практической конференции "Современные информационные и электронные технологии" (23–27 мая 2005 г. г. Одесса. Украина). – 2005. – С.158. Автором запропоновано алгоритм формування віртуальних підмереж.

7. Ю.А. Кулаков, А.П. Роковой, Мухамед Ель Амин Бабикер. Расчет временных параметров маршрутизаторов объединенных компьютерных сетей // Труды седьмой международной научно-практической конференции "Современные информационные и электронные технологии" (22—26 мая 2006 г г. Одесса. Украина). – 2006. – С.144. Автором запропоновано математична модель розрахунку основних тимчасових параметрів передачі даних з різним рівнем пріоритету й фрактальним характером трафика.

8. Кулаков Ю.А., Мухамед Ель Амин Бабикер Конструирование трафика в мобильных компьютерных сетях на основе распределенной системы управляющих агентов // Матеріали наук.-практич. конф. "Комп'ютерні системи і мережні технології". - НАУ, 2007. - С. 68 Автором запропоновано алгоритм конструювання трафика в мобільних мережах

АНОТАЦІЇ

Мухамед Ель- Амін Бабікер Мухамед “Метод і засоби конструювання трафика в мобільних комп'ютерних мережах” -–Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.13 – Обчислювальні машини, системи та мережі. – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут, Київ 2007.

У дисертаційній роботі наведено теоретичне обґрунтування і нове рішення наукової задачі, що полягає в новому підході до конструювання трафика, що сприяє підвищенню ефективності функціонування мобільних комп'ютерних мереж за рахунок організації розподіленої системи конструювання трафика на основі агентної технології управління мережевими ресурсами, що забезпечує оптимальний режим функціонування мобільної комп'ютерної мережі.

Запропоновано і обґрунтований метод конструювання трафика на основі віртуальної підмережі інтелектуальних агентів, що дозволяють оперативно реагувати на зміну стану мобільної комп'ютерної мережі, що створює умови для підвищення ефективності її функціонування.

Запропоновано і обґрунтовано новий критерій для вибору місця розташування контролерів доменів конструювання трафика, що забезпечують мінімальний обсяг службового трафика в мобільній комп'ютерній мережі .

Запропоновано і обґрунтовано спосіб конструювання трафика в мобільних комп'ютерних мережах, що за рахунок оперативної взаємодії агентів конструювання трафика дозволяє при мінімальному обсязі керуючого трафика забезпечити рівномірний розподіл мережевого трафика із заданим рівнем QoS.

Вперше запропоновано і розроблено алгоритм формування і динамічної реконфігурації розподіленої системи конструювання трафика, що адаптується до зміни топології мобільної комп'ютерної мережі, яка дозволяє підвищити ефективність функціонування мобільної комп'ютерної мережі.

Із практичної точки зору, отримані в роботі результати, дозволяють підвищити ефективність функціонування мобільних комп'ютерних мереж за рахунок вибору оптимальної структури мереж й ефективного алгоритму керування трафиком.

Ключеві слова: мобільна комп’ютерна мережа, домен, якість обслуговування, конструювання трафика, маршрутизація.

Мухамед Ель Амин Бабикер “Метод и средства конструирования трафика в мобильных компьютерных сетях”. – Рукопис. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.13 – вычислительные машины, системы и сети. Национальный технический университет Украины “ Киевский политехнический институт”, Киев 2007 г.

В диссертационной работе приведено теоретическое обоснование и новое решение научной задачи, которая заключается в новом подходе к конструированию трафика, способствующем повышению эффективности функционирования мобильных компьютерных сетей за счет организации распределенной системы конструирования трафика на основе агентной технологии управления сетевыми ресурсами, обеспечивающей оптимальный режим функционирования мобильной компьютерной сети.

Основные задачи исследования заключаются в следующем:

1. Анализ известных методов и средств конструирования трафика, а также определение основных факторов и степень их влияния на эффективность процедуры конструирования трафика в мобильных компьютерных сетях.

2. Разработка и исследование способа организации распределенной системы конструирования трафика на основе агентной технологии управления сетевыми ресурсами, обеспечивающей оптимальный режим функционирования мобильной компьютерной сети.

3. Выбор и обоснование критериев оптимального размера доменов и выбора месторасположения их контролеров, обеспечивающих минимальный объем служебного трафика в мобильной компьютерной сети.

4. Разработка алгоритма формирования и динамической реконфигурации доменов конструирования трафика, оптимальным образом адаптирующихся к изменению топологии мобильной компьютерной сети.

5. Разработка алгоритма конструирования трафика в мобильных компьютерных сетях, который, по сравнению с известными алгоритмами, позволит при минимальном объеме управляющего трафика обеспечить равномерное распределение пользовательского трафика с заданным уровнем QoS.

В первой главе определена область и объект исследования в качестве которого рассматриваются динамически реконфигурируемые компьютерные сети.

В частности приводится критический обзор методов обеспечения качества обслуживания в современных компьютерных сетях и оценивается эффективность их использования в динамически реконфигурируемых сетях.

Во второй главе приведено исследование зависимости объема управляющей информации от количества узлов домена и степени связности

В работе показано, что известные методы формирования доменов и выбора месторасположения их контролеров не всегда эффективны для мобильных сетей, структура которых постоянно изменяется. В первую очередь это касается процедуры выбора узла компьютерной сети в качестве контролера домена. В большинстве известных алгоритмов месторасположение контролера домена определяется на основании степени вершины, то есть выбирается вершина с максимальной степенью, однако, при регулярной топологии сети степени всех вершин равны.

В связи с этим для выбора узла компьютерной сети в качестве контролера домена в диссертационной работе предложен и обоснован критерий dk(vi) плотности k-го порядка сетевого окружения вершины vi.

Критерий dk(vi) характеризует относительную связность вершины vi в своем k-ом окружением и представляет собой отношение общего числа ребер в подграфе, образованном k-ым окружением вершины , к ее степени. В качестве контролера домена выбирается узел сети, соответствующий вершине с максимальным значением dk(vi). характеризует отношение между количеством связей и количеством узлов в k-сетевым окружением. Это способствует повышению устойчивости функционирования сети и снижению объема управляющего трафика.

Значение k выбирается в зависимости от размера сети, на начальном этапе формирования инфраструктуры сети значение k принимается равным единицы. В диссертационной работе показано, что выбор контроллера домена на основе dk(vi) позволяет сократить объем управляющей информации при реконфигурации сети примерно в dk(vi) раз.

В третьей главе рассмотрены методы формирования и поддержки оверлейной структуры системы конструирование трафика, позволяющей минимизировать объем маршрутной информации и частоту ее обновления. При этом сеть разбивается на виртуальные подсети, каждая из которых состоит из доменов. В качестве контролера домена выступают интеллектуальные агенты конструирования трафика. В процессе функционирование сети осуществляется реконфигурация доменов с целью сокращения времени передачи информации и оптимизации сетевого трафика.

В процессе самоорганизации мобильной компьютерной сети формируется оверлейная структура системы интеллектуальных агентов конструирования трафиком. При этом каждый из интеллектуальных агентов обеспечивает конструирование трафиком в определенной группе узлов, объединенных в соответствующий домен конструирования трафиком.

В четвертой главе рассматриваются вопросы формирование маршрутной информации и равномерное распределение трафика

Одной из основных задач конструирования трафика является задача определения маршрутов передачи информации, удовлетворяющих заданным параметрам QoS.

Оптимальные пути передачи данных рассчитываются на основе составной метрики маршрутизации

Ключевые слова: мобильная компьютерная сеть, домен, качество обслуживания, конструирование трафика, маршрутизация.

Mohamed Elamin Babiker Mohamed Method and means designing of the traffic in mobile computer networks – Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. On a specialty 05.13.13 – computers, computing system and networks. National Technical University of Ukraine “The Kiev Polytechnic Institute”, Kiev 2007.

In dissertational work it is offered new the approach to Traffic Engineering promoting to increase of efficiency functioning mobile computer networks.

The method of designing of the traffic on the basis of virtual подсети the intellectual agents is offered and proved, allowing operatively to react to change of a condition of a mobile computer network that creates conditions for increase of efficiency of its functioning.

The new criterion for a choice of a site controllers domains designing the traffic, providing the minimal volume of the service traffic in a mobile computer network is offered and proved.

The algorithm of formation and dynamic reconfiguration the distributed system designing of the traffic, a topology of a mobile computer network adapting change is developed.

The structure and algorithms of functioning the controller the domain of system designing of the traffic supporting architecture MPLS and providing uniform distribution of the traffic at set parameters QoS is developed. Due to a choice in each concrete case of the optimal way of routing.

The results received in work, allow to raise efficiency procedure designing of the traffic significally.

Keywords: Traffic Engineering, a mobile computer network, the domain of routing, the mobile agent.