Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных условиях управление информационными потоками в сети, как правило, осуществляется с использованием транспортного протокола управления передачей (TCP), организующего гарантированную доставку отправленных данных. В состав протокола входят алгоритмы, выполняющие контроль приема и передачи данных. Алгоритм контроля насыщения является одним из таких алгоритмов TCP.
Под насыщением канала понимается превышение программно-аппаратных ограничений активного сетевого оборудования (маршрутизаторы, коммутаторы), образующего канал. Насыщение канала сопровождается отбрасыванием сетевых пакетов, что для конечного пользователя выражается в снижении скорости передачи данных, вызванной повторами передачи отброшенных пакетов. Негативные последствия насыщения можно уменьшить, выполняя оперативное регулирование интенсивности передачи данных. Механизм контроля насыщения выполняет названное регулирование на стороне отправителя сегментов протокола.
Результаты проведенного анализа показали, что в настоящее время не существует универсального алгоритма контроля насыщения. Поскольку передача данных может быть организована в условиях больших задержек передачи, постоянных потерь и других проблем, то рассматривают множество алгоритмов контроля насыщения, каждый из которых позволяет наиболее эффективно выполнять поставленную задачу в определенных условиях. В состав программной реализации протокола TCP входит один из алгоритмов множества. Такую реализацию называют модификацией протокола TCP по названию применяемого алгоритма контроля насыщения, например модификация CUBIC TCP или модификация Reno TCP.
Современными проблемами алгоритмов контроля насыщения являются медленное восстановление после потерь в широкополосном канале с задержкой передачи и неэффективное использование ширины асимметричного канала передачи.
Поискам решений обозначенных проблем посвящены работы Эстелла, Хасегавы, Якобсона, Брадена. Анализ технологий управления передачей данных в современных ОС показал, что решение указанных проблем возможно для ОС GNU/Linux. Разработчики сетевой подсисте-
мы ядра ОС GNU/Linux вынесли программную реализацию алгоритмов контроля насыщения за пределы основного кода протокола и предоставили программный интерфейс взаимодействия с ним. Вынесенные алгоритмы получили название подключаемых алгоритмов контроля насыщения.
Появление интерфейса взаимодействия позволило существенно упростить написание программного кода алгоритма контроля насыщения, вследствие чего их общее количество заметно возросло.
Разработка нового подключаемого алгоритма контроля насыщения сопровождается экспериментальным сравнением с рядом существующих решений. Однако сопоставление результатов экспериментальных исследований нередко затруднено ввиду отсутствия общих критериев анализа, а также методов организации самих экспериментальных исследований подключаемых алгоритмов контроля насыщения.
Поэтому представляются актуальными исследования, направленные на выработку критериев и создание методик комплексного анализа алгоритмов контроля насьпцения в составе ядра GNU/Linux при управлении информационными каналами с задержкой.
В дальнейшем, при должной поддержке со стороны разработчиков других ОС, технология подключения алгоритмов контроля насыщения получит более широкое применение, и результаты диссертационной работы смогут быть использованы для комплексного анализа алгоритмов контроля насыщения соответствующих ОС, поскольку проблемы контроля насыщения останутся.
Целью диссертации является разработка методик комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux при управлении информационными каналами с задержкой, позволяющих проводить, а также сопоставлять результаты экспериментальных исследований подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux согласно критериям комплексного анализа и выбирать эффективные механизмы контроля насыщения.
Для достижения поставленной цели были выделены следующие задачи диссертационного исследования.
Анализ теоретического материала, накопленного в области алгоритмизации методов и способов контроля насьпцения множества модификаций транспортного протокола управления передачей.
Разработка интегрального критерия комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, позволяющего исследо-
вать эффективность алгоритмических компонент механизма контроля насыщения транспортного протокола.
Разработка методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, на основе технологии паравиртуализации, эмуляции сетевых каналов и подключения алгоритмов контроля насыщения ОС GNU/Linux.
Разработка методики измерения метрик логического соединения транспортного протокола при управлении фоновым сегментным шумом.
Разработка программного комплекса, позволяющего поддерживать сетевой обмен в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой согласно заданным параметрам с использованием расширений стандартной библиотеки, обеспечивающих перенос программного комплекса на различные платформы.
Методы исследования. В диссертационном исследовании использованы методы теории вероятностей и математической статистики, теории графов. Основу разработки составили средства имитационного моделирования, а также технологии паравиртуализации, подключения алгоритмов контроля насыщения и эмуляции сетевых каналов.
Научная новизна. Научная новизна проведенного исследования заключается в создании совокупности научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих повышение эффективности выполнения процедур анализа механизмов контроля насыщения в ОС GNU/Linux.
В ходе диссертационных исследований получены следующие новые научные результаты.
Предложен новый интегральный критерий комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, позволяющий исследовать эффективность механизмов контроля насыщения транспортного протокола.
Разработана методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, впервые использующая совместно технологии паравиртуализации, эмуляции сетевых каналов и подключаемых алгоритмов контроля насыщения ОС GNU/Linux, что делает возможным выполнение созданных имитационных сетевых моделей на одной физической вычислительной машине, с меньшими, по сравнению со средами ограниченного исполнения и эмуляторами, затратами вычислительных ресурсов.
Разработана новая методика измерения метрик логического соединения транспортного протокола на основе управления фоновым сегментным шумом, что позволяет в реальном времени отслеживать влияние регулируемого, а не статического, как в стандартных инструментах диагностики сети, фонового сегментного шума на характеристики транспортного протокола исследуемого алгоритма контроля насыщения.
Разработан новый программный комплекс, позволяющий поддерживать сетевой обмен в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой согласно заданным параметрам, с использованием расширений стандартной библиотеки, что позволяет переносить программный комплекс на различные платформы в отличие от стандартных инструментов диагностики сети.
Разработана имитационная модель, позволяющая выполнять процедуры комплексного анализа механизмов контроля насыщения транспортного протокола управления передачей.
Показано, что разработанные методики и алгоритмы позволяют снизить на порядок дисперсию наблюдаемой двойной задержки. Относительное отклонение от заданной задержки передачи составляет не более 4%.
По результатам моделирования и теоретических исследований выделен эффективный подключаемый алгоритм контроля насыщения транспортного протокола управления передачей для ОС GNU/Linux.
Достоверность научных результатов подтверждается соответствием результатов имитационного моделирования результатам функционирования реальной системы.
Достоверность подкреплена фактом успешного внедрения и использования разработанных методик и отдельных их рекомендаций в ООО «ХайТекДиджит».
Практическая значимость заключается в том, что применение предложенных технических решений позволяет создавать модели, способные имитировать задержки передачи, потери пакетов, битовые ошибки передачи, нарушение порядка следования пакетов и многие другие проблемы, встречающиеся в реальных компьютерных сетях, что позволяет обслуживать широкий круг задач моделирования с привлечением технологии паравиртуализации.
Разработанные методики позволяют сопоставлять результаты экспериментальных исследований подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux согласно критериям комплексного анализа с целью выбора наилучших решений проблемы контроля насыщения.
Гибкость и универсальность предложенных в работе решений делает возможным их применение в средствах автоматического регулирования и управления технологическими процессами, в системах управления и контроля Интернет-трафика, в корпоративных информационно-аналитических системах, в биллинговых системах.
Отдельные результаты диссертации отмечены золотой медалью на выставке ВВЦ-2009, а также грантом президента Российской Федерации первой степени на выставке НТТМ-2008.
В результате выполнения работы получены сертификаты.
Junior Level Linux Professional (LPIC-1).
Advanced Level Linux Professional (LPIC-2).
Senior Level Linux Professional (LPIC-3).
Novell Certified Linux Administrator (Novell CLA).
Data Center Technical Specialist. Личный вклад автора.
Предложен новый интегральный критерий комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, позволяющий исследовать эффективность программной реализации алгоритмических компонент механизма контроля насыщения транспортного протокола.
Разработана методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой. Обоснованы требования к имитационной сетевой модели и создана сетевая топология модели.
Разработана методика измерения метрик логического соединения транспортного протокола с привлечением свободного программного обеспечения ОС GNU/Linux.
Разработан новый программный комплекс, позволяющий поддерживать сетевой обмен в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой.
Показано, что разработанные методики и алгоритмы позволяют снизить на порядок дисперсию двойной задержки с относительным отклонением от заданного значения не более 4%.
Разработана имитационная модель, позволяющая провести комплексный анализ подключаемых алгоритмов контроля насыщения.
По результатам определен эффективный подключаемый алгоритм контроля насыщения.
Автор лично принимал участие в разработке, отладке, тестировании и внедрении созданных по результатам диссертационной работы программных средств.
Реализация полученных результатов. Результаты диссертационной работы использованы в:
НИР «Асимметричный доступ в Интернет при использовании канала спутниковой связи», выполненной в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы;
учебном процессе Московского государственного института электронной техники при чтении лекций кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» (ИПОВС) по курсам «Сети ЭВМ» и «Операционные системы, среды и оболочки»;
ООО «ХайТекДиджит».
Все работы по реализации и внедрению проводились под руководством или при непосредственном участии автора.
Внедрение подтверждено актами.
В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные положения.
Результаты проведенного теоретического анализа показали, что наличие большого числа подключаемых алгоритмов контроля насыщения требует формализации процедур их сравнения.
Разработка интегрального критерия комплексного анализа и имитационной модели позволяет создать необходимую базу для построения процедур объективного сравнения различных подключаемых алгоритмов контроля насыщения.
Разработка методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, методики измерения метрик логического соединения транспортного протокола и программного комплекса «Сателлит» позволяет научно обоснованно оценивать изменения характеристик транспортного протокола исследуемого алгоритма контроля насыщения.
Разработанная программная реализация методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных кана-
лов с задержкой позволяет на порядок снизить дисперсию наблюдаемой двойной задержки с относительным отклонением от заданного значения не более 4%.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на пяти международных и одной всероссийской конференциях.
IX всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям. Кемерово, Институт вычислительных технологий СО РАН, 2008 г.
Международная конференция «Life IT». Hagen, FernUniversitat, 2009.
Международная научно-практическая конференция «Приоритетные направления развития современной науки". Чебоксары, МГУТУ, 2010г.
II международная студенческая научно-практическая конференция «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания». Новосибирск, ЦРНС, 2010г.
IV международная научно-практическая конференция «Наука и со-временность-2010». Новосибирск, ЦРНС, 2010г.
Международная научная школа «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы». Зеленоград, МИЭТ, 2010г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ (12 работ без соавторов), в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах ВАК.
Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ заявка №2009611527 «Программный комплекс «Сателлит» от 09.04.2009г. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ заявка №2009612481 «ЕИСМ «Basis» от 26.05.2009г.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложений, содержащих листинги программ и акты внедрения результатов работы. Основная работа изложена на 112 страницах, содержит 5 таблиц и 22 рисунка.
