Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время мировая телекоммуникационная индустрия претерпевает революционные изменения. Постоянное развитие информационных технологий, появление новых аппаратно-программных комплексов ставят перед операторами и провайдерами телекоммуникационных услуг сложные задачи в части управления функционированием объектов связи, основная цель которого заключается в поддержании нормативного качества оказания услуг и функционирования сетей.
Для поддержания заданного уровня качества услуг, оговоренного соответствующим соглашением (Service Level Agreement - SLA), необходима автоматизация контроля, мониторинга и управления разнородным оборудованием и системами связи на основе единых принципов. Используемые сегодня технологии управления процессами в телекоммуникационных сетях (ТС) в рамках стандартизованных концепций сетевого администрирования не позволяют провести качественный и количественный анализ эффективности используемых средств, что является серьезной проблемой при создании автоматизированной системы управления трафиком ТС.
Решением сложившейся проблемы эвристического описания процесса управления ТС может стать адаптация математического аппарата нескольких областей научного знания для создания адекватной модели объекта. С ее помощью станет возможным получение качественной и количественной оценок эффективности функционирования ТС по совокупности критериев для последующего осуществления управления в соответствии с требованиями SLA.
Степень научной разработанности проблемы. Известен ряд работ, в которых были предприняты попытки адаптации различных математических теорий для описания функционирования ТС. Среди них Д. Бертсекас и Р. Галлагер, М. Шварц,
B. М. Вишневский, Н. Н. Мошак, В. Г. Лазарев, Л. Б. Богуславский, однако
предложенные математические модели неприменимы по ряду причин для описания
современных ТС.
Основным математическим аппаратом для описания процессов функционирования ТС является теория систем массового обслуживания (СМО). Классическими работами в области теории СМО являются труды Л. Клейнрока, А. Кофмана и Р. Крюона, Б. В. Гнеденко и И. Н. Коваленко, Л. А. Овчарова. В указанных работах были предприняты попытки преодоления ограничений пуассоновского потока, однако ни одна из них не была применена для описания многопроцессорных систем обработки трафика.
Вопросам анализа и оценки надежности систем и информационных сетевых структур посвящено немало исследований. Так в известных работах Б. Я. Советова и
C. А. Яковлева, Б. П. Филина, А. М. Половко предложены различные методы анализа
надежности технических и информационных систем. Однако вопросам влияния
надежности диагностического сервиса на функционирование систем не было уделено
достаточно внимания, в то время как получение интегральной оценки невозможно без
комплексного анализа всех факторов, оказывающих влияние на характеристики
производительности информационно-технической системы.
Среди многообразия литературы по синтезу и исследованию систем автоматического управления стоит отметить ряд работ, в которых были рассмотрены дискретные системы, а также были предприняты попытки их моделирования с помощью программных сред. К их числу можно отнести работы следующих авторов:
X. Квакернаака, Р. Сивана, А. А. Колесникова, N. S. Nise, D. Xue, Y. Q. Chen, D. P. Atherton, J. J. D'Azzo, С. H. Houpis, S. N. Sheldon. Результатом анализа их работ стало обоснование необходимости использования систем автоматического регулирования при синтезе систем управления исследуемым объектом.
Следует отметить, что, несмотря на большое количество попыток изложения инженерных методик по проектированию и последующему управлению ТС, процесс сетевого администрирования по-прежнему остается искусством, зависящим от опыта и эрудиции инженера. Рекомендации производителей оборудования по настройке аппаратно-программных средств оторваны от математических моделей функционирования ТС, что выражается в отсутствии методик качественной и количественной оценок эффективности функционирования ТС. В свою очередь, предлагаемые в литературе математические модели не могут с достаточной точностью описать процессы функционирования отдельных подсистем и устройств, не говоря уже о ТС в целом. Таким образом, возникает задача адаптации и актуализации наиболее проработанного математического аппарата, дополненного общей теорией надежности, и совмещения его с теорией автоматического управления для получения интегральной модели системы управления трафиком ТС.
Целью диссертационного исследования является разработка и исследование комплексной модели системы управления трафиком телекоммуникационной сети.
Реализация поставленной цели предполагает решение следующих задач:
провести анализ существующих концепций и протоколов управления, а также критериев (метрик), характеризующих функциональные элементы ТС;
разработать математические модели функционирования подсистем ТС для последующего их объединения в интегральную модель;
провести имитационное моделирование предложенных математических моделей с целью оценки их адекватности;
- разработать инженерную методику управления трафиком ТС.
Объектом исследования являются телекоммуникационные сети (сети
передачи информации).
Предметом исследования выступает система управления трафиком ТС.
Теоретико-методологическая основа исследования. Для достижения поставленных задач применялись методы системного анализа, математического программирования, вычислительной математики, системного проектирования. В основе разработанных моделей лежат: теория систем массового обслуживания, теория надежности и теория графов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты проведенного анализа концепций, протокольных средств и критериев процесса сетевого администрирования. Рассмотрение ТС как сложного объекта управления и декомпозиция ее на отдельные подсистемы с выделением основных показателей качества их функционирования. Обоснование выбора соответствующего математического аппарата для каждой из подсистем, описывающего процессы обработки и распределения информации (стр. 24, 36, 38).
-
Адаптация математических моделей подсистем ТС в соответствии со спецификой архитектуры современных аппаратно-программных средств. Предложенные модели учитывают влияние неординарности входного информационного потока, характеристик потоков отказов и восстановлений, а также показателей надежности диагностического сервиса на производительность системы (стр. 53, 78, 84).
-
Модель планировщика очередей на обслуживание протокольных блоков, основанная на динамической диспетчеризации, учитывающая изменение приоритета во времени, позволяющая перераспределять канальный ресурс между различными типами трафика (стр. 67).
-
Метод расчета интегральных весовых коэффициентов линий связи для тонкой настройки протоколов динамической маршрутизации. Получение максимально эффективного плана распределения трафика посредством инструментария теории графов и транспортной задачи линейного программирования на основе рассчитанных интегральных коэффициентов (стр. 94-95).
-
Применение дискретного ПИ-регулятора в системе управления длиной очереди на узле ТС с учетом априорных значений параметров, полученных с использованием предложенных ранее моделей. Расчет ограничений, накладываемых на пропорциональные коэффициенты ПИ-регулятора с целью сохранения устойчивости системы (стр. 106, 118).
-
Инженерные методики управления распределением трафика, производительностью и надежностью узлов ТС, основанные на предложенных в работе математических моделях (стр. 143, 155).
Достоверность и обоснованность диссертационного исследования подтверждена: соответствием полученных выражений основным законам теории массового обслуживания, теории надежности; результатами имитационного моделирования функционирования предложенной системы управления перегрузками узла ТС; успешным практическим применением предложенной инженерной методики управления трафиком ТС.
Научная новизна диссертационного исследования:
-
Предложена модель узла ТС, позволяющая учесть влияние неординарного стационарного информационного потока на производительность системы, основанная на математическом аппарате теории массового обслуживания. Предложенная модель, в отличие от аналогов, позволяет учесть особенности многопроцессорной обработки групп протокольных блоков различного размера (стр. 50, 53).
-
Предложена модель узла ТС, позволяющая учесть влияние внешних факторов, выраженных в виде потока отказов, и интенсивности диагностического сервиса на надежность функционирования системы, отличающаяся возможностью учета вероятностей возникновения ошибок I и II рода (стр. 84).
-
Для поддержания заданного уровня качества обслуживания трафика на узлах ТС во время перегрузок предложено выстраивать очереди на обслуживание на основе динамического приоритета протокольных блоков с возможностью ручной регулировки. Доказано, что за счет учета «старения» протокольных блоков и ручной регулировки планировщика возможно сохранение заданного уровня качества обслуживания при кратковременных перегрузках на узлах ТС (стр. 67).
-
Предложена модель структуры ТС, позволяющая повысить эффективность использования каналов ТС по интегральному критерию. В отличие от аналогичных методов, предложено использовать относительно простой и менее трудоемкий метод получения максимально эффективного распределения трафика ТС, основанный на графовом алгоритме и линейном программировании (стр. 94-95).
-
Разработана система управления перегрузкой ТС на основе дискретного ПИ-регулятора, которая, в отличие от аналогов, опирается на расчетные эталонные значения параметров регулирования и зависит от интенсивности и закона
распределения входного информационного потока. Проведен анализ устойчивости полученной системы и получены в явном виде ограничения, накладываемые на пропорциональные коэффициенты ПИ-регулятора (стр. 106, 118).
Научная значимость исследования заключается в совмещении моделей теории систем массового обслуживания, теории надежности и теории телетрафика в единую интегральную модель, позволяющую получить количественные оценки характеристик эффективности функционирования информационной системы с целью последующего управления происходящими в ней процессами обработки и транспортировки информации.
Практическая значимость исследования состоит в предложенных инженерных методиках управления распределением трафика и использованием вычислительных и канальных ресурсов узлов ТС, основанных на рассмотренных в работе математических моделях, представленных в виде алгоритма для последующей реализации в виде программного продукта. Предложенная система управления перегрузкой узла ТС может быть использована в качестве дополнения к средствам активного управления очередью.
Внедрение и использование результатов работы. Полученные в работе результаты использованы:
-
В учебном процессе кафедры радиотехнических и телекоммуникационных систем Инженерно-технологической академии ЮФУ в виде лабораторного практикума по дисциплине «Сетевые информационные технологии» для магистрантов направления 210700.68 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».
-
В производственном процессе ООО «Цифровой Диалог-Т» при оценке параметров функционирования телекоммуникационной сети интернет-провайдера, а также при настройке протоколов динамической маршрутизации.
-
В производственном процессе ООО «Альянс Телеком» при моделировании функционирования узлов для нахождения «узких мест» телекоммуникационной сети, а также при оптимизации использования ресурсов узлов по основным критериям производительности.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «КРЭС-2006» (г. Таганрог, 2006), Международных научно-технических и научно-методических интернет-конференциях в режиме off-line «Проблемы современной системотехники» (г. Таганрог, 2008, 2009, 2011, 2012), Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного Федерального округа "Студенческая научная весна-2009" (г. Новочеркасск, 2009), XL VIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2010), Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного Федерального округа "Студенческая научная весна-2010" (г. Новочеркасск, 2010), Международной научно-технической конференции "Перспективы развития навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, GALILEO" (г. Донецк, 2010), X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2010), 15-ом Юбилейном Международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке» (г. Харьков, 2011), XII Международной научно-технической конференции "Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТиТТ-2011" (г. Казань, 2011), VIII Ежегодной
научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2012), X Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление - ИТСАиУ-2012» (г. Таганрог, 2012), IX Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2013), XIV Международном научно-практическом семинаре «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы» (г. Донецк, 2013).
Публикации. По материалам работы опубликовано 26 печатных работ, из них 4 - в рецензируемых научных журналах из перечня рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание изложено на 180 страницах, включая библиографический список из 129 наименований, приложение изложено на 19 страницах, включает коды программ, реализующих математические модели. Работа иллюстрирована 11 таблицами, 49 рисунками.
