Методы и средства исследования распределенных сетей передачи данных с неоднородным трафиком на основе неэкспоненциальных моделей

Конец 20-го и начало 21-го веков ознаменовались бурным количественным и качественным ростом компьютерных сетей. Эта тенденция, которая очевидно сохранится в ближайшие десятилетия, хорошо иллюстрируется ростом сети Интернет, охватившей все страны мира. Локальные компьютерные сети, являющиеся основой автоматизации деятельности отдельных предприятий и фирм, и распределенные сети, охватывающие города, регионы и континенты, проникли во все сферы человеческой деятельности, включая экономику, науку, культуру, образование, промышленность и т. д.

Повсеместное внедрение компьютерных сетей должно сопровождаться опережающим развитием фундаментальной теории в этой области, созданием инженерных методов анализа и синтеза, систем автоматизации проектирования, направленных на сокращение сроков и повышение качества проектирования компьютерных сетей. Базовые знания по решению задач анализа и синтеза в области сетей передачи данных (СПД) заложили такие авторы, как Вишневский В. М., Гнеденко Б. А., Цыбаков Б. С., Липаев В. В., Майоров С.A., L. Kleinrock, D. Ferrari, S. Golestani и многие другие.

Актуальность проблемы. Проблема проектирования СПД становится все более актуальной для специалистов и ученых в этой научно-практической области в связи с ростом Всемирной сети. При проектировании и исследовании реальной СПД приходится решать большое число разнообразных задач. Первым этапом проектирования СПД является выбор технических средств и системы протоколов (включая способы коммутации и доставки данных в сети). Второй этап проектирования требует решения совокупности сложных взаимосвязанных задач, к которым относятся: оптимизация пропускной способности (ПС) каналов связи (КС) — выбор маршрутовоптимизация топологической структурывыбор методов управления потоками и определение параметров управленияанализ объемов буферной памяти узлов коммутации и выбор стратегии буферизации при перезагрузках и так далее.

При решении общей задачи топологического синтеза кроме выбора оптимальной схемы соединения узлов коммутации необходимо одновременно решать задачу оптимизации маршрутов и выбора ПС КС. В данной работе рассматривается задача оценки ПС КС, решение которой известно только для модели в виде разомкнутой экспоненциальной сети массового обслуживания (СеМО) с однородным потоком заявок. При этом не учитывались специфические особенности, присущие реальным распределенным СПД. К числу таких особенностей относятся неэкспоненциальность и неоднородность трафика, многообразие топологий и алгоритмов маршрутизации, вариантов распределений прикладных программ (ПП) и наборов данных (НД) по узлам сети, способов взаимодействия пользователей сети и т. д. Учет этих особенностей выполняется на этапе параметризации модели СПД, результаты которого оказывают существенное влияние на адекватность разрабатываемой модели. В связи с этим, необходимо разработать методику проектирования распределенных СПД и программный комплекс (ПК) для решения ряда актуальных задач: расчет потоков в распределенных сетяхопределение ПС КС СПДвыбор дискретных значений ПСпостроение имитационных моделей (ИМ) канала связи и спроектированных СПД в среде GPSS Worldанализ погрешностей приближенных методов расчета временных характеристик каналов связи и СПД. Кроме того, необходимо выполнить анализ влияния на характеристики функционирования СПД таких параметров передачи данных как длина пакетов, характер трафика в сетях (влияния законов распределений), скорость передачи пакетов в каналах связи и т. д.

Объект исследований. Объектом исследований диссертационной работы является сеть передачи данных с неоднородным трафиком.

Предмет исследований. В диссертационной работе предметом исследований являются модели, методы и инструментальные средства для оценки эффективности и системного проектирования СПД с неоднородным трафиком.

Целью данной работы является разработка и исследование методов и средств оценки ПС КС СПД на основе аналитического и имитационного моделирования с учетом специфических особенностей, присущих реальным распределенным СПД, а также анализ влияния процессов передачи данных на х показатели эффективности СПД с помощью имитационного метода.

Цель работы достигается решением следующих задач.

1. Разработка метода сведения неоднородного потока пакетов в СПД к однородному и перерасчет параметров пакетов на основе параметров сообщений, при этом ключевой задачей является разработка метода расчета интенсивностей потока пакетов в КС с учетом топологии СПД, метода маршрутизации, способа распределения по узлам 1Ш и НД, способа взаимодействия пользователей, длин сообщений и пакетов.

2. Анализ влияния длины пакетов, характера трафиков в сетях (влияния законов распределений) и скорости передачи пакетов в каналах связи па показатели эффективности СПД.

3. Разработка программного комплекса для проектирования и исследования СПД, реализующего следующие этапы: оптимизация ПС КС СПД при ограничениях на время доставки пакетов (ВДП) или на стоимость сети с использованием модели в виде разомкнутой экспоненциальной СеМО с учетом специфических особенностей реальных СПДвыбор дискретных значений ПС на основе полученных непрерывных значенийоценка погрешностей аналитических методов расчета модели канала передачи данных с использованием имитационного моделирования.

4. Разработка средств автоматического построения имитационных моделей в среде GPSS World, предназначенных для детального анализа характеристик функционирования канала связи и сети, спроектированной в процессе аналитического моделирования.

Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории графов, аналитическое и имитационное моделирование, объектно-ориентированное программирование.

Научная новизна работы заключается:

— в разработке методов расчета потоков пакетов в каналах связи на основе заданных внешних интенсивностей потоков сообщений при заданной топологии СПД и известном алгоритме маршрутизации в СПД, позволяющих полностью решить задачу выбора пропускной способности каналов связи на основе аналитического моделирования;

— в разработке имитационных моделей для исследования характеристик каналов связи с использованием моделей в виде СМО типа G/G/1 и интерпретации результатов анализа погрешностей расчета характеристик с использованием приближенных аналитических методов;

— в оценке погрешностей аналитических методов расчета неэкспоненциальных моделей канала передачи данных и СПД с использованием имитационного моделирования;

— в анализе влияния длины пакетов, характера трафиков в сетях (влияния законов распределений) и скорости передачи пакетов в каналах связи на характеристики функционирования СПД.

Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Сформулирована методика расчета потоков пакетов в каналах связи на основе заданных внешних интенсивностей потоков сообщений, заданного алгоритма маршрутизации и других особенностей СПД.

2. Разработан программный комплекс для проектирования и исследования СПД, позволяющий решать следующие актуальные задачи: a) оптимизацию пропускных способностей каналов связи СПД при ограничениях на время доставки пакетов или на стоимость сети с использованием модели в виде разомкнутой экспоненциальной СеМО с учетом специфических особенностей реальных СПД, таких как неоднородность потока поступающих в сеть сообщений, многообразие топологий СПД, способов распределения прикладных программ и наборов данных по узлам сети, способов взаимодействия сети, вариантов маршрутизацииb) выбор дискретных значений пропускных способностей на основе полученных непрерывных значенийc) автоматическое построение имитационных моделей канала связи и спроектированной СПДd) расчет временных характеристик спроектированной СПД на основе имитационного моделирования;

3. Сформулированы рекомендации по применению в инженерных расчетах приближенных аналитических методов расчета характеристик СПД при больших загрузках.

Практическая реализация и внедрение результатов исследований.

Основные результаты работы внедрены ООО ЛМТ (г. Санкт-Петербург), а также в учебном процессе на кафедре ВТ СПбГУ ИТМО в рамках учебных дисциплинах «Сети ЭВМ и телекоммуникации» и «Теория проектирования вычислительных систем и сетей» (Приложение 4).

Апробация работы. Результаты выполненных исследований были представлены на IV-й межвузовской конференции молодых ученых, XXXVII-й научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, V-й всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, II 1-й всероссийской научно-практической конференции по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика» (ИММОД-2007), IV-й всероссийской научно-практической конференции по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика» (ИММОД-2009).

Публикации Материалы, отражающие основное содержание работы, изложены в 6 печатных работах [5, 21−25].

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, основной части, содержащей 4 главы, заключения, трех приложений и списка литературы. Общий объем работы — 145 страниц. Работа содержит 49 иллюстраций и 15 таблиц.

Список литературы

включает 42 библиографических источников.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Разработан метод сведения неоднородного потока пакетов в СПД к однородному и перерасчет параметров пакетов на основе параметров сообщений, при этом ключевой задачей является разработка метода расчета интенсивностей потоков пакетов в каналах связи с учетом топологии СПД, метода маршрутизации, способа распределения по узлам прикладных программ и наборов данных, способа взаимодействия пользователей, длин сообщений и пакетов.

2. Проведен анализ влияния длины пакетов, характера трафиков в сетях (влияния законов распределений) и скорости передачи пакетов в каналах связи на характеристики функционирования СПД. Показано, что погрешность результатов расчета характеристик в предположении о неограниченной длине пакетов может достигать десятков процентов. Варьирование законов распределений времени передачи пакетов в каждом из каналов связи, интервалов времени между поступающими в сеть пакетами и коэффициентов вариации этих распределений позволило выявить ряд свойств и закономерностей, на основе которых сформулированы рекомендации для проектирования СПД такого класса.

3. Разработанный программный комплекс для проектирования и исследования СПД позволяет решать следующие актуальные задачи: оптимизация пропускных способностей каналов связи СПД при ограничениях на время доставки пакетов или на стоимость сети с учетом специфических особенностей реальных СПДвыбор дискретных значений пропускных способностей на основе полученных непрерывных значенийоценка погрешностей аналитических методов расчета модели канала передачи данных с использованием имитационного моделирования.

4. Разработан и программно реализован способ автоматического построения имитационных моделей в среде GPSS World, предназначенных для детального анализа характеристик функционирования канала связи и спроектированной в процессе аналитического моделирования сети, что позволяет обеспечить адекватность модели реальной СПД, а также проанализировать влияние различных законов распределений интервалов времени между пакетами и времени передачи пакетов по каналам на характеристики СПД.

5. Разработанная методика исследования СПД позволяет проектировщикам при минимальных затратах времени и материальных ресурсов найти рациональные решения по разработке новых и модернизации существующего СПД на основе совместного использования программного комплекса «DCNET» и системы имитационного моделирования GPSS World.