Исследование и разработка метода прогнозирования трафика при проектировании компьютерной сети

Современный мир неразрывно связан с информационными технологиями. При этом, для получения информации активно используются компьютерные сети. Основной тенденцией развития компьютерных сетей является их конвергентность по отношению к передаваемой информации, что расширяет круг задач решаемых сетью и требует ее постоянного развития. В связи с этим становится актуальной проблема проектирования компьютерных сетей с учетом этих особенностей.

При проектировании компьютерных сетей и исследовании трафика приходится решать большое число разнообразных задач. Первым этапом проектирования компьютерных сетей является выбор технических средств и системы протоколов (включая способы коммутации и доставки данных по сети). Второй этап проектирования требует решения совокупности сложных взаимосвязанных задач, к которым относятся: улучшение использования пропускных способностей каналов связи (КС) — оптимизация топологической структуры.

Данная работа связана с возрастающей ролью, которую играют компьютерные сети для обеспечения эффективности управления и успешного функционирования самых разных организаций.

Наблюдается общая тенденция увеличения числа пользователей, интенсивности трафика, разнообразия сервисов, что может привести к ухудшению качества сетевых услуг.

Этот факт определяет необходимость прогнозирования трафика при проектировании компьютерной сети.

Все это требует проведения экспериментальных исследований свойств сети, причем не только в режиме оперативного мониторинга, но и для более глубокого изучения с целью прогнозирования ее поведения при проектировании. С этим связана задача совершенствования соответствующих методов прогнозирования трафика.

При решении общей задачи топологического синтеза кроме выбора наилучшей схемы соединения узлов коммутации необходимо одновременно решать задачу выбора надежных маршрутов и выбора пропускных способностей КС.

В частности, отсутствуют комплексные методики организации и проведения экспериментальных исследований трафика, обобщающие накопленный к настоящему времени опыт их проведения. Достаточно ограничен перечень статистических методов, используемых при обработке данных, характеризующих интенсивность трафика. Аналитические модели трафика в основном строятся в предположении его стационарности. Все это свидетельствует о необходимости дальнейшего развития исследований по данной проблематике.

В связи этим необходимо разработать метод прогнозирования трафика при проектировании компьютерных сетей и программный комплекс для решения ряда актуальных задач, а именно:

• расчет потоков в распределенных сетях;

• определение пропускных способностей КС;

• выбор дискретных значений пропускных способностей;

• построение имитационных моделей прогнозирования трафика и спроектированных компьютерных сетей в пакете GPSS World. Кроме того необходимо выполнить анализ влияния на характеристики функционирования трафика таких параметров передачи данных как длина пакетов, характер или типы трафика в сетях, скорость передачи пакетов в КС и т. д.

Цель исследований. Целью диссертационной работы является разработка методов оценки предполагаемого потока передачи информации, определения требуемой пропускной способности каналов связи и сетевого оборудования при проектировании компьютерной сети для обеспечения выбора необходимых сетевых и общедоступных ресурсов.

Методы исследования. Полученные результаты исследования базируются на использовании методов аналитического моделирования прогнозирования трафика в сети с использованием метода наименьших квадратов и закона распределения случайных величин Парето. В качестве инструмента имитационного моделирования применяется среда программирования GPSS World.

Научная новизна работы.

1. Разработан новый метод прогнозирования трафика при проектировании компьютерной сети, отличающийся универсальностью, отсутствием ограничений на размер сети, простотой применения и использованием бесплатного программного обеспечения.

2. Разработана аналитическая модель для определения требуемой пропускной способности в зависимости от прогнозируемого роста количества узлов, средней длины пакета и вероятности появления запросов в сети.

3. Разработана имитационная модель многоуровневой компьютерной сети, оценивающая работу составной сети при изменении количества пользователей, полосы пропускания на различных сегментах сети, параметров и типов сетевого оборудования.

4. Установлен коэффициент задержки (КЗ) сетевого оборудования, позволяющий оценить пропускную способность при различных режимах нагрузки. Установлен коэффициент стоимости для выбора (К.В) сетевого оборудования.

5. Формализованы технические характеристики сетевого оборудования и линии связи для их оперативного использования в имитационной модели, что позволяет прогнозировать работу проектируемой сети для любого сетевого оборудования.

В соответствии с указанной целью в рамках диссертационной работы поставлены и решались следующие задачи:

• анализ требований, предъявляемых к компьютерным сетям, определение типов трафика и их влияния на загрузку сетевых ресурсов;

• определение основных параметров, влияющих на среднее время задержки пакетов;

• разработка метода определения требуемой пропускной способности в зависимости от количества узлов, средней длины пакета и вероятности появления запросов в сеть;

• разработка имитационной модели многоуровневой сети передачи данных для решения задачи прогнозирования трафика;

• разработка метода выбора сетевого оборудования на основе технических характеристик, заявленных производителем.

• исследование влияния различных параметров передаваемых данных на загрузку каналов и оценка эффективности сети с точки зрения пропускной способности;

• выявление «узких мест» в сети и формирование списка соответствующих рекомендаций по их исключению (тип оборудования, резервные связи, увеличение пропускной способности каналов, повышение производительности серверного оборудования, резервирование серверов и сетевого оборудования).

Практическая значимость работы заключается в предоставлении возможности выбора сетевого оборудования и среды передачи данных, размещения общедоступных ресурсов и необходимости их резервирования 7 основываясь на технических характеристиках и предполагаемом количестве пользователей. Разработанные методы и имитационные модели позволяют прогнозировать трафик и выявлять «узкие места» в компьютерной сети при ее проектировании, а так же давать рекомендации по улучшению качества обслуживания в уже существующих компьютерных сетях. Реализация результатов работы. Результаты работы впервые использованы при проектировании участка городской глобальной компьютерной сети Юго-восточного округа г. Москвы сети в виде:

1. Метода оценки роста числа пользователей в сети;

2. Предложений по методу прогнозирования трафика на основе предполагаемого числа пользователей;

3. Метода имитационного моделирования для оценки возможности применения сетевого оборудования различных производителей на основе его технических характеристик и выбора структурных решений для построения сети;

4. Метода расчета оценки коэффициента стоимости при использовании сетевого оборудования.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на VII международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-ART-СНЕМ» (Москва, МИИТ, 2010 г.), XII научно-практической конференции «БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ» (Москва, МИИТ, 2011 г.), использованы ЗАО «ATLANTIS».

Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 4 печатные работы, в том числе 2 статьи в журналах из перечня, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы. Она содержит 134.

Выводы по главе 4.

1. Приведен анализ существующих сетей Мьянмы и существующие каналы связи построения на основе технологии SDH.

2. Разработана имитационная модель сети Мьянмы с 1000 узлами, проведен анализ производительности сетевых устройств и выявлены наиболее загруженные компоненты системы. Установлено, что увеличение интенсивности поступления заявок на сети при 10 мс, 100 мс и 1 с времени интервалов между заявками, привело к резкому росту значений сетевых характеристик.

3. Исследованы возможности и доказана эффективность указанных методов для решения ряда важных прикладных задач по анализу и прогнозу трафика, таких как определение загрузки каналов связи, определение загрузки сетевого оборудования, определение необходимого количества и типа сетевого оборудования.

4. Приведены результаты успешного практического применения разработанных методов прогнозирования трафика при проектировании компьютерной сети. Экспериментальные данные показали, что в теории модель работает медленнее, чем на практике, так как в теории воплощается худший из вариантов, что показывается в паспортных данных. А тот факт, что результаты моделирования показывают большую нагрузку на сетевое оборудование, чем в реальности, только даёт более высокие гарантии работоспособности проектируемой сети при увеличении нагрузки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе проведенных исследований следует сделать следующие выводы:

1. Определены требования, предъявляемые к компьютерным сетям и связанные с ними параметры.

2. Приведен анализ существующих методов прогнозирования трафика и средств экспериментального исследования трафика. На основе этого анализа можно сделать вывод о том, что существующие методы сложны для выполнения оперативных задач прогнозирования и не могут быть использованы при решении прикладных (частых задач) стоящих перед разработчиками сетей.

3. В качестве основных параметров, влияющих на среднее время задержки пакета, определены количество пользователей и средняя длина пакета.

4. Разработана аналитическая модель для определения требуемой пропускной способности в зависимости от количества узлов, средней длины пакета и вероятности появления запросов в сеть.

5. Для определения среднего размера пакета предложено использовать закон распределения случайных величин Парето, а для прогнозирования роста числа пользователей применяется метод основанный, на предшествующих данных о количестве пользователей с использованием метода наименьших квадратов и требуемой пропускной способности.

6. Выполнена проверка метода прогнозирования роста числа пользователей на примере Мьянмы. Определены зависимости роста потребления трафика от роста числа пользователей.

7. Разработана имитационная модель многоуровневой сети передачи данных. Оценивается работа составной сети при изменении количе.

126 ства пользователей, полосы пропускания на различных сегментах сети и параметров и типов сетевого оборудования.

8. Установлен коэффициент задержки (К.З) сетевого оборудования, позволяющий оценить пропускную способность при различных режимах нагрузки. Установлен коэффициент стоимости для выбора (К.В) сетевого оборудования.

9. Формализованы технические характеристики сетевого оборудования и линии связи для их использования в имитационной модели, что позволяет прогнозировать работу проектируемой сети. Это дает возможность выбора необходимой технологии передачи данных, структурной схемы сети, а так же по выбору необходимого типа сетевого оборудования в каждом уровне сети.

10. Разработано отдельное программное обеспечение для решения задачи прогнозирования трафика с ядром имитационной модели на GPSS World. С помощью полученной имитационной модели можно прогнозировать загрузку сетевого оборудования, как в глобальной, так и в локальной сети.

11. Разработана имитационная модель сети Мьянмы с 1000 узлами, проведен анализ производительности сетевых устройств и выявлены наиболее загруженные компоненты системы. Установлено, что увеличение интенсивности поступления заявок на сети при 10 мс, 100 мс и 1 с времени интервалов между заявками, привело к резкому росту значений сетевых характеристик.

12. Исследованы возможности и доказана эффективность указанных методов для решения ряда важных прикладных задач по анализу и прогнозу трафика т.к. определение загрузки каналов связи, определение загрузки сетевого оборудования, определение необходимого количества и типа сетевого оборудования.

13. Приведены результаты успешного практического применения разработанных методов прогнозирования трафика при проектировании компьютерной сети. Экспериментальные данные показали, что в теории модель работает медленнее, чем на практике, так как в теории воплощается худший из вариантов, что показывается в паспортных данных. А тот факт, что результаты моделирования показывают большую нагрузку на сетевое оборудование, чем в реальности, только даёт более высокие гарантии работоспособности проектируемой сети при увеличении нагрузки.