Исследование влияния методов маршрутизации на качество обслуживания в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях

На правах рукописи

БУРОВ Артем Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕТОДОВ МАРШРУТИЗАЦИИ НА КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ В МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ, ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

Специальность: 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2009

Работа выполнена на кафедре «Безопасность и управление в телекоммуникациях» ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики».

Научный руководитель	– кандидат технических наук, доцент, Новиков С.Н.
Официальные оппоненты:	– доктор технических наук, профессор, Мейкшан В.И. – кандидат физико-математических наук, Юргенсон А.Н.
Ведущая организация	– ГОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Защита состоится « 18 » декабря 2009 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 219.005.01 при ГОУ ВПО «СибГУТИ» по адресу: 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86, ауд. 625.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики».

Автореферат разослан « 12 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 219.005.01

доктор технических наук, профессор Г.В. Мамчев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Стремительное развитие современных систем связи, построенных на принципах коммутации пакетов, ставит перед разработчиками телекоммуникационных систем ряд задач. На передний план выходят задачи обеспечения качества услуг, предоставляемых пользователям сети, а также обеспечения высокой степени надежности функционирования современных мультисервисных сетей связи.

Оба показателя прямо либо опосредовано зависят от протоколов маршрутизации, применяемых на сетях связи. Протоколы маршрутизации, в свою очередь, базируются на общепринятых подходах или методах маршрутизации. На сегодняшний день существует множество методов маршрутизации, разработанных с целью обеспечения определенных характеристик сетей связи.

С развитием телекоммуникационных технологий выбор применяемых методов и протоколов маршрутизации не потерял своей актуальности. Особенно актуальным является изучение влияния методов маршрутизации на качество обслуживания в мультисервисных сетях связи, функционирующих в так называемых «экстремальных» условиях – условиях случайного изменения доступных сетевых ресурсов. Экстремальные условия функционирования возникают как по причине внутренних перегрузок сети связи при увеличении пользовательского и (или) служебного трафика, увеличении вероятности ошибки в тракте, переполнении буферных устройств сетевых элементов и т.п., так и по причине внешних воздействий, в том числе из-за обрывов линий связи, отключения электропитания, аварий и т.п. Следует также учитывать самоподобный характер проходящего по сетям связи трафика, что предъявляет определенные требования к применяемому математическому аппарату исследований.

На сегодняшний день достаточно хорошо развит математический аппарат для исследования мультисервисных сетей связи. Этому способствовало развитие теории массового обслуживания в середине 60-х гг. XX века. Появление теории массового обслуживания, как математического аппарата для исследования сетей с коммутацией каналов, дало толчок в развитии теории анализа сетей с коммутацией пакетов. Фундаментальными работами в области теории массового обслуживания можно назвать работы иностранных специалистов: Л. Клейнрока, А. Эрланга, М. Шварца. Среди отечественных ученых можно отметить работы В.М. Вишневского, М.П. Березко, Е.В. Левнера, Е.В. Федотова и других, обобщивших существующие теоретические наработки в области исследования сетей с коммутацией пакетов.

Как показывают последние исследования, трафик, проходящий по сетям связи, носит самоподобный характер, что накладывает определенные условия на исследование современных мультисервисных сетей. Исследованию самоподобных процессов, а также свойств самоподобия сетевого трафика посвящены работы иностранных авторов: Б.Б. Мандельброта, Н.Д. Георганаса, В.Е. Лиланда, Д.Р. Кокса, В. Виллингера, И. Норроса, а также отечественных авторов: А.Н. Колмогорова, Б. Цыбакова, О.И. Шелухина, С.М. Смольского, А.В. Осина и других.

В диссертации разработана методика анализа методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи. На базе предложенной методики разработан программный продукт, позволяющий исследовать влияние методов маршрутизации на характеристики функционирования мультисервисных сетей. С использованием разработанного программного продукта проведено исследование влияния методов маршрутизации на качество обслуживания в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях при передаче по ним самоподобного трафика. Даны рекомендации по применению методов маршрутизации в сетях связи.

Цель исследования: исследование методов маршрутизации для мультисервисных сетей связи, функционирующих в экстремальных условиях, при прохождении по ним самоподобного трафика.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

1. провести анализ существующих подходов к исследованию методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи;
2. разработать методику анализа методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях, при прохождении по ним самоподобного трафика;
3. разработать рекомендации по выбору наилучшего метода маршрутизации в мультисервисных сетях связи по критерию обеспечения максимума интегральной оценки качества обслуживания.

Объектом исследования являются мультисервисные сети связи.

Предметом исследования в работе является влияние процесса маршрутизации потоков самоподобного трафика на качество обслуживания в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях.

Методы исследования: для достижения поставленной цели и решения сформулированных в диссертационной работе задач использовались математические методы аппарата теории очередей, теории графов, а также методы имитационного моделирования.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается строгостью применяемого математического аппарата и результатами имитационного моделирования, а также положительными результатами апробации и внедрения.

Научная новизна работы. В диссертации:

1. разработана аналитическая модель служебной нагрузки, создаваемой различными методами маршрутизации, позволяющая выбрать наилучший метод маршрутизации при заданных условиях неопределенности на сети связи и объеме доступных сетевых ресурсов по критерию обеспечения максимума доступных ресурсов сети связи для передачи пользовательской информации;
2. разработана методика анализа методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи, учитывающая экстремальные условия функционирования сетей и прохождение по ним самоподобного трафика;
3. разработан метод проверки графа сети на связность, позволяющий существенно сократить использование ресурсов ПЭВМ для решения поставленной задачи;
4. разработаны рекомендации, позволяющие выбрать наилучший метод маршрутизации по критерию обеспечения максимума интегральной оценки качества обслуживания.

Теоретическое значение диссертации. Разработанная методика позволяет количественно оценить уровень качества обслуживания в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях. Методика анализа является общей для любого из рассматриваемых в работе методов маршрутизации, а также для существующих сетевых технологий. Конкретизация предложенных методов позволяет применять их при анализе протоколов маршрутизации.

В диссертации даны рекомендации по выбору и применению наилучшего метода маршрутизации по критерию обеспечения максимума интегральной оценки качества обслуживания, а также заложены основы для разработки потоковых методов маршрутизации.

Практическая значимость исследования заключается в следующем:

1. Разработаны методика анализа методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи и программный продукт, позволяющий проводить исследования влияния методов маршрутизации на качество обслуживания в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях при прохождении по ним самоподобного трафика.
2. Разработанный программный продукт проверки телекоммуникационной сети на связность включен в отраслевой фонд алгоритмов и программ при Министерстве образования Российской Федерации (извещение о государственной регистрации в Информационно-библиотечном фонде Российской Федерации разработки, предъявляемой в отраслевой фонд алгоритмов и программ от 28.02.2003 № 50200300153).
3. Разработанный программный продукт анализа методов маршрутизации в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания (Ш-ЦСИО) включен в отраслевой фонд алгоритмов и программ при Министерстве образования Российской Федерации (извещение о государственной регистрации в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов» разработки, предъявленной в отраслевой фонд алгоритмов и программ от 18.10.2004 № 50200401220).
4. Разработанный в диссертации программный продукт «NetModel» внедрен в учебные дисциплины ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», а именно в лекционные курсы по дисциплине «Современные информационные технологии» (Акт внедрения от 07.09.2009).
5. Разработанный программный продукт «NetModel», а также методика исследования методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи и способ проверки телекоммуникационной системы на связность используются на предприятиях связи: ООО «АйТиЭс-Интеграция» (Акт внедрения от 18.08.2009 № 116/01), ООО «Сибирские сети» (Акт внедрения от 23.07.2009 № 231).

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и региональных конференциях, в том числе:

– Международной научной конференции «SibCon-2003», «SibCon-2005», «SibCon-2007» (г. Томск, 2003, 2005, 2007 гг.);

– Всероссийской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (г. Новосибирск, 2007, 2008 гг.).

– X Международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей» (г. Новосибирск, 2008 г.);

– Международной научно-практической конференции «Инновационная экономика и промышленная политика региона (ЭКОПРОМ-2009)» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.).

Публикации по теме исследования. Всего по теме диссертации написано и опубликовано 17 работ, в том числе 2 работы в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.

Личный вклад. В диссертации использованы результаты, в которых автору принадлежит определяющая роль. Некоторые из опубликованных работ написаны в соавторстве с сотрудниками научной группы, где диссертант принимал участие в непосредственной разработке методик анализа, моделей, программного обеспечения. Постановка задачи исследований осуществлялась научным руководителем, к.т.н., доцентом С.Н. Новиковым.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 105 страниц основного текста и включает: 29 рисунков, 18 таблиц, список использованной литературы из 55 наименований и 2 приложения.

Основные положения диссертации, представляемые к защите:

1. Модель служебной нагрузки, создаваемой методами маршрутизации, учитывающая передачу сигнальной и маршрутной информации и позволяющая выбрать наилучший метод маршрутизации при заданных условиях неопределенности на сети связи и объеме доступных сетевых ресурсов.
2. Математическая модель сети, учитывающая экстремальные условия функционирования мультисервисной сети связи и самоподобный характер проходящего по ней трафика.
3. Метод проверки графа сети на связность, позволяющий существенно сократить использование ресурсов ПЭВМ для решения задачи и обладающий меньшей сложностью по сравнению с известными.
4. Рекомендации по выбору наилучшего метода маршрутизации в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях, по критерию обеспечения максимума интегральной оценки качества обслуживания.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяется цель и решаемые задачи, новизна, практическая ценность и реализация результатов работы.

В первой главе сформулированы основные понятия и определения, используемые в работе. Приведена классификация методов маршрутизации. Сформулирована задача исследования методов маршрутизации на мультисервисных сетях связи (МСС), функционирующих в экстремальных условиях при прохождении по ним потоков самоподобного трафика. Постановка задачи.

Дано:

1. Задана сеть связи в виде совокупности сетевых элементов, соединенных между собой трактами передачи.
2. Сеть связи построена на базе технологии коммутации пакетов с предварительным установлением соединения.
3. В сети связи передаются информационные пакеты некоторого числа видов сервиса.
4. В сетевых элементах формируются информационные потоки в соответствии с назначенными приоритетами; больший приоритет присваивается пакетам с меньшим порядковым номером сервиса.
5. Задан метод маршрутизации.
6. Задано тяготение информационных потоков между отдельными элементами сети.
7. В сети гарантируются вероятностно-временные характеристики (ВВХ) при предоставлении сервисов.

Вводятся следующие ограничения:

1. Нагрузка, поступающая на сеть связи, является самоподобным случайным процессом.
2. Сеть связи имеет ограниченный ресурс по пропускной способности.

Требуется исследовать влияние методов маршрутизации на ВВХ сети в экстремальных условиях. При этом под экстремальными условиями понимается уменьшение сетевых ресурсов, вызванное:

• внешними дестабилизирующими факторами (обрыв линий связи между узлами, отключение электропитания, аварии, помехи и т.п.);
• внутренними дестабилизирующими факторами (увеличение пользовательской и (или) служебной нагрузки на сети связи, перегрузка отдельных трактов сети, увеличение вероятности ошибки в тракте, переполнение буферных устройств и т.п.).

Исследования проводятся для динамических методов маршрутизации. Статические методы маршрутизации в работе не рассматриваются.

Решение задачи предложено искать в следующем порядке:

• проанализировать существующие подходы к исследованию методов маршрутизации в МСС;
• определить целевые характеристики функционирования сетей связи, которые будут учитываться при исследовании методов маршрутизации;
• разработать математическую модель сети связи;
• разработать методику анализа методов маршрутизации в МСС, функционирующих в экстремальных условиях, при прохождении самоподобного трафика.

Вторая глава посвящена разработке методики исследования методов маршрутизации в МСС в условиях самоподобного трафика.

Проанализированы существующие подходы к исследованию методов маршрутизации на сетях связи и определены их основные недостатки:

• поступающий в сеть поток заявок на обслуживание, как правило, считается простейшим пуассоновским; как показывают современные исследования, поступающий поток заявок во многих случаях является самоподобным, что в конечном итоге отражается на ВВХ МСС;
• в задачах исследования, как правило, не учитывается влияние служебной нагрузки, которая передается по сетям при формировании таблиц маршрутизации, установлении соединения и т.п.;
• получаемые в результате исследования характеристики относятся к отдельным участкам сети; анализ функционирования сети связи в целом затруднен.

Разработана аналитическая модель служебной нагрузки, передаваемой по сети связи при формировании таблиц маршрутизации и установлении соединения.

При лавинном методе маршрутная информация генерируется через равные интервалы времени Tм каждым из N узлов путем широковещательной рассылки k блоков данных размером B. Тогда величина нагрузки в тракте, соединяющем соседние узлы:

.

(1)

В целях упрощения анализа и проведения исследований, для оценки сигнальной нагрузки (иг) при игровых методах маршрутизации предложено применять полиномиальную аппроксимацию вида:

,

(2)

где ai – коэффициенты пропорциональности; x – независимая переменная, которая имеет смысл коэффициента недоступности сетевых ресурсов и называется в работе степенью неопределенности.

Если полный объем сетевых ресурсов определить как сумму ресурсов b по каждому из трактов сети L, то оценка доступного объема ресурсов R для передачи пользовательской информации определяется соотношением:

,

(3)

для лавинных методов маршрутизации.

Для игровых методов маршрутизации:

.

(4)

Для проведения качественного анализа методов сделана замена слагаемого в (3) переменной y, и переход к переменной в (4), что привело к соотношениям:

,

(5)

.

(6)

Графики, построенные по (5), (6) приведены на рисунках 1, 2. Из них следует, что стационарные режимы работы сети связи в совокупности с игровыми методами маршрутизации позволяют обеспечить больший ресурс системы по сравнению с лавинными. При определенном увеличении нестационарности лавинные методы маршрутизации показывают лучшие результаты по сравнению с игровыми.

Для исследования влияния методов маршрутизации на качество обслуживания в МСС целевыми характеристиками выбраны:

• оценка связности графа сети, которая, как показано в диссертации, является интегральной оценкой качества обслуживания;
• среднее время ожидания пакетов в очереди на обслуживание.

Предложена математическая модель сети связи и маршрутизации, включающая в себя:

1. модель сетевых элементов;
2. модель информационных потоков;
3. модель маршрутизации информационных потоков на сети связи.

В качестве модели самоподобного трафика в диссертации предложено использовать гамма-распределение с параметром 0,5. Выбор гамма-распределения в качестве математической модели самоподобного трафика обоснован свойством аддитивности потоков распределения:

.

(7)

Рисунок 1 – График зависимости доступных сетевых ресурсов R от коэффициента

неопределенности x при использовании лавинных методов маршрутизации

Рисунок 2 – График зависимости доступных сетевых ресурсов R от коэффициента

неопределенности x при использовании игровых методов маршрутизации

Кроме того, гамма-распределение с параметром 0,5, как показано в работах Пономарева Д.Ю., обладает всеми свойствами самоподобных случайных процессов, а именно: его автокорреляционная функция убывает по гиперболическому закону с увеличением лага; распределение обладает тяжелым весовым хвостом (хвост распределения затухает по степенному закону). В главе приведены ВВХ для СМО с входящим гамма потоком:

• вероятность блокировки системы массового обслуживания Г0,5/М/1/N

,

(8)

где = /; – интенсивность поступления заявок на входе СМО; – производительность обслуживающей линии СМО;

• среднее время ожидания пакетов p-го вида сервиса

,

(9)

где ; .

;

(10)

• среднее количество клиентов в очереди на ожидание

.

(11)

В таблице 1 приведены ВВХ для применяемой модели и модели с пуассоновскими потоками.

Таблица 1.

Наименование показателя	СМО Г0,5/М/1/N	СМО M/M/1/N
Вероятность блокировки
Средняя длина очереди
Среднее время ожидания

В таблице: ; .

Графики соответствующих зависимостей приведены на рисунках 3 – 5. При построении графиков использовались следующие данные:

• интенсивность поступления заявок на обслуживание – 100 заявок/сек;
• величина входного буфера СМО – 10 заявок.

Анализ графиков (рисунки 3 – 5) позволяет сделать вывод: переход к модели самоподобных потоков трафика в МСС влечет за собой ухудшение ВВХ по сравнению с пуассоновскими моделями (рост вероятности блокировки, длины очереди и среднего времени ожидания заявки в очереди на обслуживание).

Маршрутизация информационных потоков на сети связи описывается матрицами тяготений (12) и переходных вероятностей (13):

	; ; ,			(12)
		,	(13)

Рисунок 3 – Вероятность блокировки СМО M/M/1/N, Г0,5/М/1/N

Рисунок 4 – Средняя длина очереди в СМО M/M/1/N, Г0,5/М/1/N

Рисунок 5 – Среднее время ожидания в СМО M/M/1/N, Г0,5/М/1/N

где – вероятность передачи пакетов информации из узла i в узел j при поиске t-го узла для r-го вида сервиса.

Поток данных для каждого из r видов сервиса в линии связи, соединяющей узел k с узлом l, определяется в соответствии с выражением:

.

(14)

Суммарный поток в линии kl:

(15)

Полученные соотношения (8, 9, 15) позволяют сформировать взвешенный граф сети, ребрам которого присвоены значения интенсивности поступающих заявок, ВВХ. Сформированный граф позволяет определить интегральную оценку качества обслуживания с использованием метода статистического моделирования.

Интегральная оценка качества обслуживания в МСС определяется по критерию вероятности связности взвешенного графа сети. Для оценки вероятности связности разработан метод проверки графа сети на связность, получивший название метода «разрезания». Метод «разрезания» базируется на методе «стягивания», разработанного Новиковым С.Н., суть которого заключается в следующем.

Выбирается произвольный узел графа и к нему «стягиваются» все соседние узлы, соединенные с ним ребрами (рисунок 6).

Рисунок 6 – Процесс «стягивания» графа сети

Стягивание будет производиться до тех пор, пока не останется множество не связанных узлов (вершин) графа, к которым производилось стягивание. Если это множество состоит из единственной вершины, то исходный граф является связным, в противном случае исходный граф не связен.

Число итераций метода «стягивания» определяется выражением:

,

(16)

где N – количество узлов анализируемого графа сети, H – степень вершины графа.

Метод «разрезания», в свою очередь, предполагает оценку на связность методом «стягивания» графов из S узлов (S < N), полученных из исходного графа. Число итераций разработанного метода определяется из соотношения:

,

(17)

где N –количество вершин в исходном графе, S – количество вершин суперграфа.

Минимальное число итераций можно найти, если взять производную от выражения по S:

.

(18)

Оптимальное число разбиений достигается при Sопт = . Сложность метода при оптимальном числе разбиений:

.

(19)

Таким образом, разработанный метод требует для своего выполнения меньшее число итераций по сравнению с прототипом – методом «стягивания». График зависимости относительного выигрыша в числе итераций по сравнению с методом «стягивания» от числа узлов показан на рисунке 7.

Рисунок 7 – Выигрыш в числе итераций от применения разработанного

метода в сравнении с методом «стягивания»

Предлагаемая методика исследования влияния методов маршрутизации на качество обслуживания в МСС включает в себя следующие этапы:

1. ввод исходных данных задачи;
2. представление сетевых элементов их математическими моделями;
3. формирование плана распределения информации на сети связи в соответствии с выбранным методом маршрутизации;
4. расчет нагрузки, создаваемой источниками сообщений в соответствии с введенными матрицами тяготения и маршрутными матрицами, а также методом маршрутизации, применяемым на сети связи;
5. определение ВВХ сети связи по выражениям (8, 9);
6. определение интегральной оценки качества обслуживания;
7. исключение отдельных трактов (введение «неопределенности») из топологии сети, повторение шагов 3-6, анализ полученных результатов;
8. повторение процедуры шагов 3-7 для другого метода маршрутизации, сравнение результатов.

Третья глава посвящена исследованию методов маршрутизации в мультисервисных сетях связи с использованием разработанной методики. Исходными данными для исследования являются:

• сеть связи, представленная на рисунке 8;

Рисунок 8 – Исследуемая сеть связи

• в сети предоставляются 3 класса сервисов; скорость поступления для каждого из классов пакетов/с; пакеты сервисов обрабатываются сетевыми элементами с относительными приоритетами; высший приоритет имеют пакеты с меньшим номером класса сервиса;
• производительность сетевых элементов в сети:

• пакетов/с – производительность маршрутизаторов;
• пакетов/с – пропускная способность трактов между маршрутизаторами;

• объем буферных устройств сетевых элементов составляет:

• 1000 пакетов – объем входного буфера;
• 100 пакетов – объем выходного буфера;

• методы маршрутизации, применяемые на сети связи:

• лавинный с параллельным и последовательным детерминированным выбором исходящих трактов передачи сообщений;
• игровой с параллельным и последовательным детерминированным выбором исходящих трактов передачи сообщений и первоначальным сбором маршрутной информации лавинным способом;

• интенсивность генерации служебной информации методами маршрутизации составляет пакетов/с для маршрутной информации лавинного метода и для сигнальной информации игрового метода;
• сеть функционирует в экстремальных условиях; процент линий связи, вышедших из строя, изменяется в пределах от 0% до 60% с шагом 5%.

На рисунке 9 приведен график зависимости интегрального критерия качества обслуживания пользователей сети для динамических методов маршрутизации. Абсолютная погрешность измерения в исследованиях не превышает 0,0001.

На рисунках 10 – 13 приведены зависимости среднего времени ожидания пакетов в очереди на обслуживание.

При увеличении служебной нагрузки в 10 раз получены зависимости, изображенные на рисунках 14 – 17. Абсолютная погрешность измерения в исследованиях не превышает 0,0001.

Анализ графиков показывает, что увеличение служебной нагрузки, создаваемой методами маршрутизации, в 10 раз приводит к существенному изменению влияния на интегральную оценку качества обслуживания – игровые методы маршрутизации оказывают более сильное влияние на интегральное качество обслуживания, причем самое сильное влияние оказывает игровой метод с параллельным характером выбора исходящих трактов передачи сообщений.

Рисунок 9 – Зависимость интегральной оценки качества обслуживания от степени

неопределенности на сети связи

Рисунок 10 – Зависимость среднего времени ожидания от степени неопределенности

на сети (лавинный метод с последовательным выбором исходящих трактов)

Рисунок 11 – Зависимость среднего времени ожидания от степени неопределенности

на сети (лавинный метод с параллельным выбором исходящих трактов)

Рисунок 12 – Зависимость среднего времени ожидания от степени неопределенности

на сети (игровой метод с последовательным выбором исходящих трактов)

Рисунок 13 – Зависимость среднего времени ожидания от степени неопределенности

на сети (игровой метод с параллельным выбором исходящих трактов)

Рисунок 14 – Зависимость интегральной оценки качества обслуживания от степени

неопределенности на сети связи

Рисунок 15 – Зависимость среднего времени ожидания от степени неопределенности

на сети (лавинный метод с последовательным выбором исходящих трактов)

Рисунок 16 – Зависимость среднего времени ожидания от степени неопределенности

на сети (лавинный метод с параллельным выбором исходящих трактов)

Рисунок 17 – Зависимость среднего времени ожидания от степени неопределенности

на сети (игровой метод с последовательным выбором исходящих трактов)

На рисунках 18-20 приведены результаты исследований для случая увеличения интенсивности информационных потоков в 5 раз с до пакетов/с при интенсивности генерации служебной нагрузки пакетов/с. Абсолютная погрешность измерений не превышает 0,003.

Рисунок 18 – Зависимость интегральной оценки качества обслуживания от степени

неопределенности на сети связи

Рисунок 19 – Зависимость среднего времени ожидания от степени неопределенности

на сети (лавинный метод с последовательным выбором исходящих трактов)

Рисунок 20 – Зависимость среднего времени ожидания от степени неопределенности

на сети (лавинный метод с параллельным выбором исходящих трактов)

Анализ полученных в результате исследований графиков позволяет сделать следующие выводы:

• методы маршрутизации по-разному оказывают влияние на интегральную оценку качества обслуживания: игровые методы в условиях усиления неопределенности на сети связи обеспечивают меньший уровень качества обслуживания по сравнению с лавинными;
• на ВВХ сети связи оказывает влияние применяемый метод маршрутизации, параметры сетевых элементов и поступающая нагрузка;
• с усилением неопределенности на сети связи интегральная оценка качества обслуживания стремится к нулю;
• рост поступающей на сеть связи информационной нагрузки приводит к ухудшению характеристик функционирования сети связи;
• при прочих равных условиях существует метод маршрутизации, гарантирующий максимальную интегральную оценку качества обслуживания в экстремальных условиях функционирования МСС.

В четвертой главе представлены рекомендации по применению методов маршрутизации в МСС, а также проводится анализ потоковой маршрутизации.

При потоковой маршрутизации, поступающие на вход сетевого элемента пакеты, считаются пакетами одного потока информации, если они передаются по одному маршруту. Поэтому анализ содержимого заголовков осуществляется только для нескольких первых пакетов потока. Заголовки остальных пакетов информации не анализируются.

Показано, что выигрыш в производительности, при потоковом методе маршрутизации определяется выражением:

.

(20)

при условии , где m – коэффициент пропорциональности, m < 1; k – доля пакетов в анализируемом информационном потоке.

На рисунке 21 приведены графики, построенные с использованием (20):

Рисунок 21 – Зависимость отношения Тобсл / Тобсл.пот от относительного числа

анализируемых пакетов

Вероятность блокировки поступающих на вход сетевого элемента пакетов при длине буфера N = 100 пакетов представлена на рисунке 22.

В главе проведены исследования сети связи (рисунок 8) в условиях установившейся потоковой маршрутизации для игровых методов с последовательным и параллельным выбором исходящих трактов. Графики полученных зависимостей приведены на рисунках 23, 24.

Абсолютная погрешность результатов вычислений не превышает 0,0001.

В заключение главы приведены рекомендации по применению и выбору наилучшего метода маршрутизации. В качестве критерия выбран максимум интегральной оценки качества обслуживания в экстремальных условиях функционирования МСС. Приведен алгоритм выбора наилучшего метода маршрутизации в заданных условиях неопределенности.

Рисунок 22 – График зависимости вероятности блокировки от коэффициента

использования линии

Рисунок 23 – Зависимость интегрального критерия качества обслуживания от степени неопределенности на сети связи

Рисунок 24 – Зависимость интегральной оценки качества обслуживания от степени

неопределенности на сети связи

В заключении содержится краткая сводка основных результатов работы, даны рекомендации по дальнейшим исследованиям.

Основные результаты и выводы диссертации.

В ходе решения поставленных в диссертационной работе задач получены следующие результаты:

1. проанализированы существующие подходы к исследованию методов маршрутизации в МСС, определены основные недостатки этих подходов;
2. разработана модель служебной нагрузки, возникающей в результате функционирования методов маршрутизации на сетях связи, предложены расчетные соотношения для количественного определения объемов служебной нагрузки, проведен обобщенный анализ влияния различных методов маршрутизации на объем доступных сетевых ресурсов в экстремальных условиях;
3. разработана математическая модель, описывающая элементы МСС, проходящие по ней потоки информации, а также механизм маршрутизации на сети связи;
4. разработан метод проверки графа сети на связность, существенно сокращающий использование ресурсов ПЭВМ при проведении исследований, получена оценка минимального числа итераций метода;
5. разработана методика исследования методов маршрутизации в МСС, учитывающая экстремальный характер функционирования сетей связи и самоподобный трафик;
6. разработано специализированное программное обеспечение «NetModel» для анализа МСС в соответствии с разработанной методикой;
7. разработаны рекомендации по выбору метода маршрутизации в МСС при заданных экстремальных условиях.

Полученные результаты работы имеют практическую ценность и вносят определенный вклад в теорию построения телекоммуникационных систем.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Маршрутизация и защита информации на сетевом уровне в мультисервисных сетях связи /Буров А.А., Киселев А.А., Новиков С.Н., Сафонов Е.В., Солонская О.И., под ред. С.Н. Новикова. ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2004.– 221 с. Деп. в ВИНИТИ 04.11.04, № 1732-В2004. Информация о статье в БУ «Депонированные научные работы», № 1, 2005.
2. Новиков С.Н., Буров А.А. Анализ методов маршрутизации в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания (Ш-ЦСИО). – М.: ВНТИЦ, 2004. - №50200401220.
3. Новиков С.Н., Буров А.А. Метод проверки телекоммуникационной системы на связность. – М.: ВНТИЦ, 2003. - №50200300153.
4. Новиков С.Н., Буров А.А. Анализ методов маршрутизации в широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания (Ш-ЦСИО). // Компьютерные учебные программы и инновации. – 2004, № 6. С.13.
5. Novikov S.N., Burov A.A. Modeling of the Routing Process Occurring in Communication Networks with Guaranteed Quality of Service. // The IEEESiberian Conference on Control and Communications, SIBCON-2003 – 2003, Tomsk, 2003, p. 32-35.
6. Новиков С.Н., Буров А.А. Метод проверки телекоммуникационной системы на связность. // Компьютерные учебные программы и инновации. – 2003, № 6. С.13.
7. Novikov S.N., Burov A.A. Method of check of telecommunication system on connectivity // The magazine Computing teaching programs and innovation. - 2002, №2.
8. Исследование и разработка методов маршрутизации и защиты информации на Ш-ЦСИО. / Сибирский гос. универ-т телекоммуникаций и информатики; Руководитель работы Новиков С.Н. № ГР 0120.0 50144911; инв. № Б 0220.0 501349 – Новосибирск, 2005.
9. Разработка методики анализа функционирования широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания (Ш-ЦСИО). Отчет / Сибирский гос. универ-т телекоммуникаций и информатики; Руководитель работы Новиков С.Н. № ГР 01.200.304433 – Новосибирск, 2003.
10. Novikov S.N., Burov A.A. А Analysis of probability-time characteristics of a telecommunication networks. // The IEEE International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON-2005 – Tomsk, 2005, p. 26-29.
11. Буров А.А. Проблемы моделирования телекоммуникационных сетей. // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Российская научно-техническая конференция – Новосибирск, 2007, С. 20-21.
12. Burov A.A. Methods of the Host Address Faking. // The IEEE International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON-2007 – Tomsk, 2007, p. 94-98.
13. Буров А.А. Потоковая маршрутизация. // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Российская научно-техническая конференция – Новосибирск, 2008, С. 437-439.
14. Буров А.А. Потоковая маршрутизация в сетях связи с коммутацией пакетов. // Проблемы функционирования информационных сетей. X Международная конференция – Новосибирск, 2008, С. 23-27.
15. Буров А.А. Оценка надежности функционирования сетевого элемента при потоковой маршрутизации // Телекоммуникации. – 2009, № 6, С. 11-14.
16. С.Н. Новиков, А.А. Буров. Анализ влияния методов маршрутизации на объем доступных сетевых ресурсов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – 2009, С. 41-47.
17. С.Н. Новиков, А.А. Буров. Задача анализа методов маршрутизации. // Инновационная экономика и промышленная политика региона (ЭКОПРОМ-2009) / Под. ред. д-ра экон. наук, проф. А.В. Бабкина: Труды VII Международной научно-практической конференции. 30 сентября – 3 октября 2009 г. Т.2 – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009, С. 396-401.

Буров Артем Анатольевич

Исследование влияния методов маршрутизации на качество обслуживания в мультисервисных сетях связи, функционирующих в экстремальных условиях

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

________________________________________________________________

Подписано в печать « 10 » ноября 2009 г.

Формат бумаги 60x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт № 13,

изд. л.1,6, заказ № 87, тираж 110 экз., ГОУ ВПО «СибГУТИ».

630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, д. 86.