Введение к работе
Актуальность работы
В связи с внедрением сетевых технологий во многие сферы человеческой деятельности наблюдается повышенный интерес к вопросам моделирования и проектирования сетей и систем передачи данных. Зачастую моделирование является единственным способом разработки новых принципов построения и работы систем, сетей, устройств связи, проверки качества предлагаемых решений, изучения их свойств, выявления зависимостей между параметрами и т.п. Моделирование также используется при изучении явлений в уже существующих системах телекоммуникаций.
В известных на сегодняшний день алгоритмах маршрутизации, как правило, предлагаются различные способы динамической адаптации маршрутных таблиц к текущей сетевой структуре. При изменении топологии сети необходимо обновление маршрутных таблиц, что ведет к дополнительной нагрузке. При таком подходе характер появления и исчезновения узлов, изменение параметров связей рассматриваются как внешние неконтролируемые факторы. В то же время, зачастую их особенности известны заранее, и использование подобных свойств может стать определяющим для создания эффективных сетевых алгоритмов.
При исследовании особенностей прохождения пакетов данных по сети, логично провести аналогию с протеканием жидкости в среде. Теория протекания (перколяции) возникла первоначально в физике твердого тела, но нашла широкое применение в самых различных естественных науках. Основной объект этой теории - случайные однородные множества на графах, решетках, группах, евклидовых пространствах. При этом перколяция изучает глобальные свойства таких множеств (проблема связности, статистика ограниченных компонент и т.п.), что позволяет нам использовать известные особенности сети.
В рамках настоящей работы разрабатываются методы и модели, учитывающие глобальные параметры сети и позволяющие оптимизировать нагрузку на сеть для большинства алгоритмов передачи пакетов данных в динамических сетях.
В связи с актуальностью проблемы результаты работы используются для выполнения госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ сетевой тематики с участием автора в рамках ряда ФЦП Минобразования.
Цель диссертационной работы заключается в разработке методов исследования особенностей прохождения пакетов данных, учитывающих
глобальные параметры телекоммуникационной сети. Конечным результатом работы являются модели перколяционных сетей, методы и программные инструменты их исследования.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Анализ существующих методов моделирования прохождения пакетов данных в самоорганизующихся сетях, выявление преимуществ и недостатков.
-
Разработка формальных математических моделей самоорганизующихся сетей.
-
Создание новых алгоритмов исследования прохождения пакетов данных в сети.
-
Разработка специального программного обеспечения, на базе которого экспериментально проверяются параметры исследуемых сетей.
-
Анализ зависимостей, полученных в результате эксперимента. Проверка влияния различных сетевых параметров на прохождение пакетов данных.
Методы исследования
В ходе работы были применены методы системного анализа, теории перколяции, теории графов, теории вероятности, математической статистики, математического моделирования. Эксперименты проведены с помощью специально созданного программного обеспечения.
Научную новизну работы определяют следующие положения:
-
Разработаны параллельные алгоритмы исследования прохождения пакетов данных в телекоммуникационной сети с решеточной конфигурацией.
-
Созданы программные инструменты для исследования особенностей прохождения пакетов данных в динамической телекоммуникационной сети с использованием высокопроизводительных вычислений.
-
Установлено существование порога перколяции и его отличие от порога перколяции для модели статической квадратной решетки. Для разработанной модели экспериментально определен порог перколяции, равный 0,6.
-
Получены зависимости вероятностей прохождения пакетов данных от времени ожидания пакетов данных на узле для предложенной модели двумерной сети.
Практическая ценность заключается в том, что результаты работы использованы при создании алгоритмов маршрутизации, пригодных для применения в программном обеспечении узлов мобильных сетей передачи данных, узлов мобильных сенсорных сетей. Устройства будут
использованы для решения широкого спектра задач в сфере телекоммуникаций и при реализации сенсорных сетей.
Разработанные параллельные алгоритмы и программные инструменты, позволяют достигнуть хорошего ускорения до Р раз (Р -число процессов) на многопроцессорных системах. Для небольших многопроцессорных кластерных систем Р=4. Для уникальных систем, таких как кластерная система «СКИФ Мономах», установленная в ВлГУ, Р=128. В разработанных алгоритмах и программных инструментах заложена возможность учета конкретных технических особенностей и расширения функциональности.
При незначительных доработках разработанные программные инструменты и модели динамических сетей, являющиеся универсальными, могут быть использованы для исследования особенностей распространения пакетов данных в динамических одноранговых телекоммуникационных сетях любой конфигурации и вычисления порога перколяции для данных сетей. Установление порога перколяции позволяет сократить число копий пакетов данных в динамической телекоммуникационной сети. Величина сокращения зависит от конкретной конфигурации сети. Для предложенной модели динамической квадратной решетки число копий пакетов уменьшается примерно в 1.67 раз по сравнению с лавинной рассылкой.
Личный вклад
В работах, опубликованных в соавторстве, автором предложены алгоритмы программ, модели, выполнены лично основные расчеты, проведено моделирование, произведен анализ результатов.
Внедрение результатов работы
Разработанные программные модули используются для выполнения госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ сетевой тематики с участием автора в рамках ряда ФЦП Минобразования.
Программное обеспечение и результаты работы внедрены в учебный процесс и в следующих организациях:
- Владимирский государственный университет имени
Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых; ООО «ФС Сервис», г. Владимир.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на следующих научно-технических и научно-практических конференциях:
-
Девятая международная конференция-семинар «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах», 2009, г. Владимир
-
2-ой Международная конференция/молодежная школа-семинар «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства», 2009, г. Владимир
-
XVII международная конференция "Математика. Компьютер. Образование", 2010, г. Дубна
-
XV Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика'2008», 2008, г. Санкт-Петербург
-
Всероссийская научная конференция «Научный сервис в сети Интернет: решение больших задач», г. Новороссийск
-
XVI Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика'2009», г. Санкт-Петербург
-
XVIII Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика'2011», г. Санкт-Петербург
-
International Young Scientists Conference "High Performance Computing and Simulation", 2012, г. Амстердам
-
Заочная Международная научно-практическая конференция «Тенденции и инновации современной науки»
На защиту выносятся:
-
Модели динамических телекоммуникационных сетей с решеточной конфигурацией
-
Программные инструменты исследования особенностей прохождения пакетов данных в перколяционных сетях
-
Экспериментальные зависимости вероятностей прохождения пакетов данных от параметров сети
Публикации
Основные результаты работы представлены в 13 публикациях, в том числе в 2 статьях журналов из перечня ВАК, а также в научно-технических отчетах НИР, выполненных по заданию Федерального агентства по науке и инновациям.
Объем и структура диссертации
Текст диссертационной работы изложен на ПО стр. машинописного текста. Содержательная часть включает введение, четыре главы и заключение. Список использованных источников содержит 80 наименования. Таблиц - 18, рисунков - 51.
