Введение к работе
Актуальность работы. Проблема обработки информации о физической структуре и загруженности компьютерной сети на прикладном уровне в настоящее время является актуальной. Современные компьютерные сети, в том числе Интернет, используют для передачи информации стандартизированный стек протоколов TCP/IP. Многоуровневая структура стека TCP/IP и изоляция уровней друг от друга обеспечивают функционирование приложений независимо от физических свойств каналов передачи, что позволяет сократить время разработки приложений и уменьшить количество ошибок в них.
Существенными недостатками изоляции прикладного уровня от физических свойств сети являются невозможность анализа и обработки информации о режиме передачи транспортного уровня и ниже, что приводит к неэффективному использованию каналов связи, а также к совершенно новым источникам сбоев и ошибок. В частности, в ІР-телефонии снижается качество звука, если во время разговора загружается файл, а в файлообменной сети выход из сети каких-либо узлов влечёт потерю фрагментов передаваемых файлов.
Популярные в настоящее время сети с р2р-структурой (peer-to-peer, пиринговые сети) реализованы на верхних уровнях модели OSI, соответствующих прикладному уровню стека TCP/IP. Они обладают гибкостью и простотой внедрения, но создают непостоянную и трудно предсказуемую нагрузку на сеть. Для повышения надёжности и быстродействия приложениям, работающим в пиринговых сетях, необходимо знать физическую структуру и загруженность сети. Исследованиям в области анализа, моделирования пиринговых сетей и обработки информации об их структуре с целью повышения эффективности их функционирования посвящен ряд работ зарубежных специалистов, таких как К. В. Росс, Д. Рубинштейн, Прадееп Судаме, Фу Сядун и других. Все эти работы ориентированы на разработку новых нестандартных протоколов сетевого и канального уровней, внедрение которых требует замены всех существующих приложений новыми.
На сегодняшний день не существует простого во внедрении способа получить с прикладного уровня данные о физической структуре и загруженности сети, поэтому создание методики обработки информации об особенностях сети и потребностях приложений на верхних уровнях модели OSI и управления структурой пиринговой сети является весьма актуальной проблемой.
Целью диссертационной работы является создание модели сети, методики учёта особенностей сети и требований сетевых приложений (МУчОС) и реализующих её алгоритмов, обеспечивающих повышение надёжности и быстродействия при передаче мультимедийных данных, а также разработка на их основе комплекса программных средств передачи данных (КПС ПД), реализующего динамическую маршрутизацию на верхних уровнях модели OSI.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать существующие методы сбора данных о структуре сети и обработки этой информации на верхних уровнях модели OSI;
разработать методику учёта особенностей сети и требований сетевых приложений (МУчОС);
разработать комплексный алгоритм функционирования узла сети, алгоритм динамической маршрутизации в сети (АДМ) и алгоритм демаршру-тизации и безопасного выхода узла из сети;
верифицировать МУчОС для различных типов приложений и оценить её эффективность с помощью имитационного моделирования;
разработать программную реализацию предложенной методики и алгоритмов в виде КПС ПД.
Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследования составили методы алгебры логики, теории графов, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания, теории информации. Для валидации результатов применяется имитационное моделирование.
Научная новизна. Диссертационная работа представляет собой совокупность научно обоснованных технических разработок, направленных на создание методики и алгоритмов, обеспечивающих повышение надёжности и быстродействия передачи данных в пиринговых сетях и разработки КПС ПД на их основе.
В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты.
-
На основе анализа современного состояния проблемы повышения надёжности и быстродействия предложено формализованное представление пиринговой сети, основанное на теории графов и приводящее к использованию для маршрутизации алгоритма построения кратчайшего пути А*.
-
Предложена методика учёта особенностей сети и требований сетевых приложений на верхних уровнях модели OSI (МУчОС), повышающая надёжность и быстродействие передачи мультимедийных данных в распределённых пиринговых сетях.
-
Разработан комплексный алгоритм функционирования узла в пиринговой сети на основе предложенной методики, позволяющий поддерживать самоорганизующееся функционирование сети.
-
Разработан алгоритм динамической маршрутизации, основанный на распределённой модификации алгоритма А*, обеспечивающий быстрый расчёт сетевых путей; предложена эвристическая функция, зависящая от пропускной способности и загруженности каналов.
-
Разработан алгоритм демаршрутизации и безопасного выхода узла из сети, обеспечивающий целостность структуры сети при отключении от неё части узлов.
6. Проведена верификация МУчОС с помощью имитационной модели пи
ринговых сетей различного масштаба и назначения, подтвердившая эф
фективность МУчОС.
7. Создан КПС ПД, функционирование которого подтвердило, что коли
чество отказов при передаче мультимедийных данных уменьшилось в 8
раз, и скорость передачи возросла в 1,5-2 раза (в зависимости от типа
приложения) по сравнению с существующими системами.
Достоверность полученных результатов подтверждается соответ
ствием результатов моделирования результатам теоретических расчетов,
проведённых с применением методов теории графов, математической стати
стики и теории массового обслуживания, а также опытной эксплуатацией.
Разработанное программное обеспечение фактически используется на предприятии ООО «Компнет» и обеспечивает повышение скорости передачи мультимедийных данных в 1,5 раза по сравнению с существующими системами.
Практическая значимость заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение методики учёта особенностей сети и требований приложений в архитектуре пиринговых сетей.
Предложенный подход к построению систем передачи данных позволяет разрабатывать сетевые приложения с высокой надёжностью и быстродействием. КПС ПД доведён до практического использования и применяется для автоматизации обмена данными в локальной сети 000 «Компнет».
Самостоятельное практическое значение имеют:
методика учёта особенностей сети и требований приложений на верхних уровнях модели OSI (МУчОС);
комплексный алгоритм функционирования узла в пиринговой сети;
алгоритм динамической маршрутизации в пиринговой сети;
алгоритм демаршрутизации и безопасного выхода узла из сети;
имитационная модель пиринговой сети произвольного масштаба с динамически изменяемой структурой;
программная реализация методики и алгоритмов в виде КПС ПД. Практическая значимость подтверждена актом внедрения результатов
диссертационной работы в учебном процессе МИЭТ и 000 «Компнет».
Личный вклад автора.
Все основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно, в том числе:
-
Предложена методика МУчОС, применимая на верхних уровнях модели OSI.
-
Для верификации МУчОС разработана имитационная модель пиринговой сети произвольного масштаба с динамически изменяемой структурой.
-
Получена оценка эффективности разработанной методики МУчОС; показано, что использование МУчОС уменьшает количество отказов при передаче мультимедийных данных в 8 раз при повышении скорости передачи данных в 1,5-2 раза по сравнению с существующими системами.
-
Разработан комплексный алгоритм функционирования узла.
-
Разработан алгоритм динамической маршрутизации, основанный на распределённой модификации алгоритма А*; предложена эвристическая функция, зависящая от пропускной способности и загруженности каналов.
-
Разработан алгоритм демаршрутизации и безопасного выхода узла из сети.
-
Осуществлена программная реализация методики и алгоритмов в виде
кпс пд.
Реализация полученных результатов. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-технических исследований кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» НИУ «МИЭТ» и являлась составной частью НИР «Визуализация эволюции нелинейных динамических систем в области управления техническими и синер-гетическими объектами на основе информационных технологий и методов» в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (шифр ГБ 7.1534.2011). Работа заняла II место на проводившемся в 2013 году Третьем Международном молодёжном промышленном форуме «Инженеры будущего 2013» по номинации «Мой завод будущего».
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры ИПОВС в материалах курсов «Основы UNIX» и «Системный анализ и математическое моделирование», читаемых для старших курсов специальностей №230105.65, 230105.62, 230105.68; а также использованы в ООО «Компнет» при проектировании отказоустойчивой сети абонентских терминалов 1Р-телефонии.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Формализованное представление пиринговой сети, основанное на теории графов, определяет выбор алгоритма построения кратчайшего пути А* для распределённой реализации динамической маршрутизации на верхних уровнях модели OSI.
-
Методика учёта особенностей сети и требований приложений на верхних уровнях модели OSI (МУчОС) позволяет эффективно использовать пропускную способность сети и повышает надёжность и быстродействие распределённой передачи мультимедийных данных в пиринговых сетях.
-
Комплексный алгоритм функционирования узла позволяет поддерживать самоорганизующееся функционирование сети в соответствии с предложенной методикой.
-
Алгоритм динамической маршрутизации, основанный на распределённой модификации алгоритма А* с использованием предложенной эвристической функции обеспечивает быстрый расчёт сетевых путей.
-
Алгоритм демаршрутизации и безопасного выхода позволяет сохранять целостность пиринговой сети при отключении от неё части узлов.
-
Программная реализация предложенной методики и алгоритмов в виде КПС ПД позволяет уменьшить количество отказов при передаче мультимедийных данных в 8 раз при повышении быстродействия в 1,5-2 раза по сравнению с существующими системами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
-
Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс-конференция «Электроника 2006».
-
14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2007», Москва, МИЭТ, 2007.
-
13-я Международная телекоммуникационная конференция студентов и молодых учёных «Молодёжь и наука», Москва, МИФИ, 2010.
-
17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2010», Москва, МИЭТ, 2010.
-
Восьмая международная конференция разработчиков и пользователей свободного программного обеспечения «Linux Vacation I Eastern Europe», Белоруссия, Гродно, 2012.
-
5-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике — 2012», Москва, МИЭТ, 2012.
-
VI международная заочная научно-практическая конференция «Теоретические и практические аспекты развития современной науки», научно-информационный центр «Институт Стратегических Исследований», 2012.
-
Вторая зимняя сессия международной конференции разработчиков и пользователей свободного программного обеспечения «Linux Vacation I Eastern Europe» — LVEE Winter 2013, Белоруссия, Минск, 2013.
-
Девятая международная конференция разработчиков и пользователей свободного программного обеспечения «Linux Vacation I Eastern Europe», Белоруссия, Гродно, 2013.
10. Третий Международный молодёжный промышленный форум «Инженеры будущего 2013», Иркутск, 2013. По результатам исследований опубликовано 16 печатных работ (4 работы — без соавторов), из них 4 статьи — в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений, содержащих листинги программ и акты о внедрении результатов работы. Общий объём диссертационной работы: 127 страниц машинописного текста, 9 таблиц и 41 рисунок.
