Введение к работе
Актуальность темы
В виду широкого распространения компьютерных сетевых технологий, телекоммуникационные сети, являющиеся неотъемлемыми компонентами современных технологий управления и производства, можно характеризовать как «распределённые вычислительные устройства для обработки и передачи пакетного трафика».
Проблема прогнозирования поведения трафика в сетях телекоммуникаций является особенно значимой в связи с колоссальным развитием информационных сетей. До середины 90-х годов теоретическую базу для проектирования систем распределения информации обеспечивала теория телетрафика. Однако было установлено (W. Leland и W.Wilinger в 1994 г., М. Crovella в 1996 г.), что потоки в сетях передачи пакетов данных имеют несколько иную структуру, чем принято в классической теории телетрафика, - самоподобную. Самоподобие и долговременная зависимость сетевого трафика являются предметом исследований вот уже более полутора десятков лет и до сих пор сохраняют свою актуальность. Среди ученых, активно занимающихся этой проблемой, можно назвать таких известных исследователей, как: W. Willinger, D. Wilson, К. Park, В.И. Нейман, Б.С. Цыбаков, Н.Б. Лиханов. Однако до сих пор не существует общепризнанной модели самоподобного трафика. Практически актуальными представляются задачи построения имитационных моделей самоподобного сетевого трафика для использования их при моделировании телекоммуникационных сетей, проводимом на стадии проектирования. Кроме того, хорошая модель может служить не только для имитации сетевого трафика, но и выявлять его структуру, параметры порождающих трафик источников, что бывает важно при анализе эффективности информационных сетей.
Одним из самых распространённых и актуальных в последнее время является
семейство FARIMA-процессов (fractionally differenced autoregressive integrated
moving average), к которому относят наиболее популярные классы моделей
самоподобного трафика: «Input M/G/oo» и «On-Off Sources». Большой вклад
в разработку и изучение этих классов моделей внесли такие ученые, как V. Рахоп,
S. Floyd, W. Willinger, Б.С. Цыбаков, О.И. Шелухин и многие другие. Упомянутые
авторы исследовали проблемы моделирования самоподобного
телекоммуникационного трафика без учёта других статистических характеристик.
Заметим, что модели, имитирующие сетевой трафик одновременно по ряду параметров, становятся все более важными для практики в связи с повышением требований к качеству обслуживания в информационных сетях. В частности, такой параметр качества обслуживания как джиттер (вариация задержки), некоторого прошедшего через сетевой узел потока, определяется двумерным распределением очереди в данном узле, где этот поток конкурирует за передачу с другим идущим в том же направлении трафиком.
Целью работы является разработка моделей самоподобного трафика для анализа качества обслуживания в телекоммуникационных сетях передачи пакетных данных.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Исследование недостатков существующих моделей в части имитации самоподобного трафика для целей анализа качества обслуживания.
Разработка модификаций моделей самоподобного трафика, аппроксимирующих статистические характеристики и отражающих его структуру.
Определение областей использования разработанных модификаций моделей.
Анализ результатов имитационного моделирования с использованием разработанных модификаций моделей трафика относительно качества обслуживания в телекоммуникационной сети.
Методы исследования
В диссертационной работе используются методы теории случайных процессов и теории вероятностей, в том числе теории Марковских и самоподобных процессов, метод оценки самоподобных свойств, а также методы имитационного моделирования дискретно-событийных систем и методы математической статистики.
На защиту выносятся
Разработанные модификации моделей самоподобного трафика: «Input M/G/oo» и «On-Off Sources» с учетом аппроксимаций статистических характеристик.
Область использования разработанных модификаций моделей «Input M/G/oo» и «On-Off Sources» - имитация трафика глобальных сетей и трафика локальных сетей соответственно.
Методика построения имитационных моделей непрерывного времени на основе имитационных моделей дискретного времени в среде моделирования AnyLogic.
Комплекс программ для анализа и моделирования самоподобного трафика с использованием разработанных модификаций моделей.
Научная новизна работы
В диссертации получены следующие научные результаты:
Новый алгоритм вычисления распределения информационной скорости источников для аппроксимации одномерного распределения трафика в разработанной модификации модели «On-Off Sources».
Новые способы аппроксимации автокорреляционной функции самоподобного трафика для разработанных модификаций моделей «Input M/G/oo» и «On-Off Sources».
Методика построения разработанных имитационных модификаций моделей «Input M/G/oo» и «On-Off Sources» в непрерывном времени на основе разработанных модификаций моделей дискретного времени в среде моделирования AnyLogic, впервые предложенная для имитации самоподобного трафика.
Выделена область предпочтительной применимости разработанной модификации модели «On-Off Sources» по сравнению с разработанной модификацией модели «Input M/G/oo» - имитация трафика локальных сетей.
Практическая ценность работы
Результаты, полученные в ходе выполнения настоящей диссертационной работы, могут быть использованы в имитационном моделировании для анализа объёма трафика в телекоммуникационных сетях при их проектировании при разработке методов распределения пропускной способности каналов и уменьшения потерь информационных пакетов, для систем биллинга и т.д., где важно качество обслуживания. Результаты диссертации используются в ГК «МетроМакс». Практическая значимость работы подтверждена актом внедрения. Кроме того, результаты внедрены в учебный процесс (включены в лабораторные и практические занятия по дисциплине «Теоретические основы телекоммуникаций»), что также подтверждено актом внедрения.
Апробация работы
Результаты диссертации докладывались и обсуждались:
на Самарской областной студенческой научной конференции (г. Самара, 2008);
на XV Российской конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (г. Самара, 2008);
на научно-технической конференции студентов и аспирантов аэрокосмических вузов (г. Геленджик, 2008);
на 23 Европейской конференции «23rd European conference of modeling and simulation» (Madrid, 2009);
на международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса» (г. Самара, 2010).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста (без приложений), содержит 53 рисунка, 33 таблицы, 4 приложения на 25 страницах. Список использованных источников включает 93 наименования.
