Адаптивная децентрализованная маршрутизация в цифровой сети с интеграцией служб общего назначения в условиях динамики топологии и трафика сети

Отечественный и зарубежный опыт создания корпоративных цифровых сетей связи показывает, что достижение требуемого уровня пропускной способности и устойчивости связи, обеспечение адаптации к условиям функционирования и обеспечение полного перечня услуг системы связи только традиционным путем поэлементного совершенствования и наращивания практически нереализуемо.

Современная телекоммуникационная сеть должна отвечать двум основным требованиям: во-первых, она должна предоставлять услуги связи абонентам сети с требуемым качеством, и, во-вторых, она должна обладать высоким уровнем собственного совершенства. Уровень требований, предъявляемый к сетям связи, обуславливается следующими основными причинами:

— увеличение числа пользователей;

— расширение числа видов услуг, требуемых пользователями;

— повышение уровня требований к качеству обслуживания (достоверность получаемой информации, время ее доставки).

При этом имеет место широкое внедрение в практику услуг конферен-цсвязи, электронной почты, поиска информации и т. д. Появляются запросы на новые виды услуг, требующие для осуществления широкополосного цифрового канала. Это, прежде всего, черно-белый и цветной видеотелефон, ви-деоконференцсвязь, цветное факсимиле, видео-почта, поиск видеоинформации, передача в ограниченные сроки больших объемов информации и т. д. При этом большинство из требуемых услуг являются услугами с комплексным предоставлением информации, которые согласно рекомендациям определены как мультимедиа.

Технологической основой современных телекоммуникационныхсетей является совокупность единых по архитектуре построения цифровых телекоммуникационных центров на основе маршрутизаторов.

Маршрутизатор, как техническое средство, представляет собой узел обработки данных в IP-сетях и обеспечивает прием данных, отправляемых из одной ЛВС, передачу через IP-сеть на аналогичный маршрутизатор, который выполняет доставку потоков информации в другую ЛВС. Маршрутизатор собирает информацию о топологии сети и на её- основании пересылает пакеты сетевого уровня в узел или сеть назначения.

Эффективность функционирования маршрутизатора определяет оперативность передачи информации в сети и очевидно определяется реализованным в нём протоколом маршрутизации. Общим правилом протокола маршрутизации является использование максимально возможного числа маршрутов. Это повышает надежность и способствует перераспределению нагрузки между каналами. Текущая топология может меняться из-за выхода некоторых узлов из строя в результате воздействия различных факторов, обусловливающих снижение-связностисети. Вследствие этого актуальность приобретает задача выбора такого протокола управления маршрутизацией, который позволит рационально использовать сетевые ресурсы на основе построения плана распределения информации совокупностью маршрутизаторов.

На сегодняшний день разработано большое количество протоколов маршрутизации. Однако их использование в перспективных телекоммуникационных сетях должно учитывать специфику построения и их условия функционирования. Используемый протокол маршрутизации должен справляться с задачей эффективного использования сетевых ресурсов в условиях резкого изменения не только топологии сети, но и разнородного трафика циркулирующего внутри сети.

При создании перспективных телекоммуникационных сетей используют принципы и протоколы адаптивной маршрутизации. Решению данной задачи посвящено достаточно большое количество публикаций отечественных и зарубежных специалистов в области теории управления и связи [50, 56]. Среди них особого внимания заслуживают монографии и труды научных школ В. Г. Лазарева, Э. А. Якубайтиса, Г. П. Захарова, Б. А. Советова, и многих других ученых.

Как показано в вышеперечисленных работах, эффективность функционирования протоколов адаптивной маршрутизации во многом зависит от того, где принимаются маршрутные решения. Вследствие этого различают централизованные и децентрализованные протоколы маршрутизации. В случае использования централизованных протоколов адаптивной маршрутизации возникает необходимость наличия в сети центра (узла коммутации), выполняющего операции по расчёту маршрутов для всех узлов сети. В свою очередь наличие такого узла ставит под угрозу функционирование всей сети в случае выхода его из строя, при этом все узлы сети находятся в постоянной зависимости от решений-принимаемых центральным узлом. Кроме того, использование такого протокола приводит к необходимости передачи больших объёмов служебной информации в направление к центральному узлу, что в свою очередь не позволяет рационально использовать ресурсы сети.

Существенное повышение эффективности использования сетевых ресурсов достигнуто с использованием разработанных в последнее время зарубежными специалистами таких протоколов децентрализованной маршрутизации как RIP и OSPF.

Протокол маршрутизации RIP, основанный на алгоритме Беллмана-Форда, разработан в университете Калифорнии (Беркли), базируется на разработках фирмы Ксерокс и предназначен для сравнительно небольших и относительно однородных сетей [56]. В свою очередь протокол OSPF (Open Shortest Pass First, RFC-1245−48, RFC-1583−1587, алгоритмы предложены Дейкстрой) является альтернативой RIP в качестве внутреннего протокола маршрутизации. OSPF представляет собой протокол состояния маршрута (в качестве метрики используется — коэффициент качества обслуживания). Каждый маршрутизатор обладает полной информацией о состоянии всех интерфейсов всех маршрутизаторов (переключателей) автономной системы [57].

Отличительной особенностью перечисленных выше работ является то, что разработанные в них методы определения оптимальных решений относительно построения плана распределения информации на сети реагируют только на изменения, связанные с топологией сети и не учитывают динамику объёма и направления передачи трафика. Кроме того, рассмотренные протоколы требуют для своего функционирования постоянный обмен большими объемами служебной информации. Вследствие этого, несмотря на безусловную ценность и полезность известных методов маршрутизации, применение их в перспективных телекоммуникационных сетях не позволяет решить задачу повышения оперативности передачи информации в условиях локальных изменений трафика сети.

В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: с одной стороны для эффективного функционирования перспективных телекоммуникационных сетей требуется протокол маршрутизации, обеспечивающий при минимальном объёме служебной информации своевременную реакцию на изменения как топологии, так и трафика, происходящие в сетис другой стороны в настоящее время разработаны протоколы, требующие для своего функционирования передачи больших объёмов служебной информации и реагирующие только на изменение топологии сети без учёта динамики трафика.

Одним из путей разрешения данного противоречия является разработка протокола адаптивной вероятностной маршрутизации на основе пакета-агента и методики управления службой сбора информации о сети и обновления маршрутных таблиц, обеспечивающего повышение оперативности доведения информации по сети не только в условиях изменения топологии сети, но и в условиях локального изменения трафика абонентов, при снижении объёма служебной информации в сети.

Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертации «Адаптивная децентрализованная маршрутизация в цифровой сети с интеграцией служб общего назначения в условиях динамики топологии и трафика сети».

Целью диссертационных исследований является повышение оперативности передачи информации в телекоммуникационной сети за счёт вероятностной адаптации плана распределения информации на сети.

Объектом исследования является телекоммуникационная сеть.

Предметом исследований являются протоколы маршрутизации информации в сетях связи с коммутацией пакетов.

Научной задачей является разработка протокола адаптивной вероятностной маршрутизации на основе пакета-агента и методики управления службой сбора информации о сети и обновления маршрутных таблиц в условиях динамики топологии и трафика сети.

Для решения общей научной задачи в диссертации ставятся и решаются следующие подзадачи:

1. Анализ особенностей функционирования процедуры маршрутизации в существующих телекоммуникационных сетях.

2. Разработка протокола коррекции вероятностных таблиц маршрутизации на основе пакета-агента.

3. Разработка методики управления службой сбора информации о сети и обновления маршрутных таблиц в протоколе маршрутизации на основе пакета-агента.

4. Разработка имитационной модели процесса децентрализованной маршрутизации на основе пакета-агента в телекоммуникационной сети.

В ходе решения перечисленных подзадач были получены следующие научные результаты, представляемые к защите:

1. Протокол обмена маршрутной информацией на основе пакета-агента для построения и корректировки таблиц маршрутизации узлов коммутации телекоммуникационной сети в условиях динамики топологии и трафика сети.

2. Методика управления службой сбора информации о сети и обновления маршрутных таблиц в протоколе маршрутизации на основе пакета-агента в условиях динамики топологии и трафика сети.

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что: разработан новый протокол обмена маршрутной информацией на основе использования теории мультиагентных систем (пакета-агента), который позволяет в отличие от существующих протоколов адаптировать план распределения информации на сети при снижении дополнительной нагрузки служебных пакетов на сеть в условиях динамики топологии и трафика сетивпервые разработана методика управления службой сбора информации о сети и обновления маршрутных таблиц в протоколе маршрутизации на основе пакета-агента в условиях динамики топологии и трафика сети, позволяющая снизить объём нагрузки служебной информации на сеть.

Достоверность результатов подтверждается корректностью и логической обоснованностью разработанных вопросов, принятых допущений и ограничений, использованием" апробированного математического аппарата теории массового обслуживания, теории телетрафика, теории случайных процессов, математической статистики и моделирования систем и, кроме того, подтверждается получением-при определенных условиях и допущениях частного решения, являющегося результатом применения ранее известных методов.

Практическая значимость научных результатов обусловлена тем, что они доведены до уровня протокола, алгоритмов, методики и машинных продуктов и позволяют на стадии проектирования и эксплуатации закладывать в программное обеспечение маршрутизаторов УК процедуры построения и корректировки таблиц маршрутизации. Использование данных результатов позволяет получить выигрыш в оперативности доведения информации в условиях динамики топологии и локальных всплесков трафика сети на 10−20% по сравнению с протоколами, используемыми в сетях связи.

Кроме того, результаты работы могут быть использованы в вузах при изучении дисциплин связанных с изучением современных методов построения сетей связи с коммутацией пакетов.

Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения, списка используемых источников и приложения.

Выводы по третьему разделу

Разработанная методика запуска и останова службы сбора информации о сети в протоколе маршрутизации на основе пакета-агента и моделирование процесса адаптивной децентрализованной маршрутизации позволили сделать следующие выводы.

1. Вследствие использования нестационарной стратегии управления интенсивностью служебных-пакетов возникает необходимость в разработке способа по идентификации изменения ситуации на сети, а именно в определении стационарности либо нестационарности топологии или трафика сети. Идентификация ситуации на сети осуществляется на основе использования статистических методов анализа временных рядов на наличие тренда. Анализ показывает, что из существующих методов наиболее мощным является метод Фостера-Стьюарта.

2. Перед тем как определять наличие тренда во временном ряду требуется провести сглаживания уровней временного ряда. Сглаживание временного ряда производится на основе интервала времени наблюдения за длинной очереди Т (п), в течение которого определяется длина очереди 1(п). При этом интервал времени Т{п) должен обеспечивать требуемое значение вероятности ошибки второго рода при проверке гипотезы о наличии тренда.

3. При определении тренда во временном ряду могут возникнуть ошибки первого и второго рода. Величины ошибок первого и второго рода зависят от выбранного интервала времени наблюдения за очередью пакетов и интервала времени сглаживания временного ряда.

4. Методика управления службой сбора информации о сети в протоколе маршрутизации на основе пакета агента пригодна как для стадии разработки телекоммуникационной сети, так и для стадии ее эксплуатации и позволяет определять корректные параметры протоколов сетевого уровня, о чём свидетельствует проведение имитационного моделирования.

Ill

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимость обеспечения требований по пропускной способности и устойчивости связи приводит к необходимости совершенствования существующих телекоммуникационных сетей.

Технологической основой современных телекоммуникационных сетей является совокупность единых по архитектуре построения цифровых телекоммуникационных центров на основе типовых маршрутизаторов, реализующих канальный, сетевой и транспортный уровни ЭМВОС. Эффективность функционирования маршрутизатора определяет оперативность передачи информации в сети и зависит от реализованного в нём протокола сетевого уровня.

Одним из возможных вариантов решения задачи эффективного использования сетевых ресурсов является применения адаптивной вероятностной маршрутизации, основанной на использовании теории мультиагентных систем и позволяющей в условиях ограниченной пропускной способности сети формировать оптимальные в вероятностном смысле совокупности маршрутов передачи информации, что обеспечивает:

— повышение оперативности передачи различного рода информации в условиях возможных структурных изменений, а также динамики трафика сети;

— повышение надежности своевременного доведения сообщений в условиях ограниченности пропускной способности имеющегося канального ресурса.

В результате проведенных в диссертации исследований решена актуальная научная задача: разработка протокола адаптивной вероятностной маршрутизации на основе пакета-агента и методики управления службой сбора информации о сети, направленная на повышение оперативности передачи информации в телекоммуникационной сети за счёт вероятностной адаптации плана распределения информации на сети.

Получены следующие основные научные результаты, представляемые к защите:

1. Протокол обмена маршрутной информацией на основе пакета-агента для построения и корректировки таблиц маршрутизации узлов коммутации в телекоммуникационной сети в условиях динамики топологии и трафика сети.

2. Методика управления службой сбора информации о сети и обновления маршрутных таблиц в протоколе маршрутизации на основе пакета-агента в условиях динамики топологии и трафика сети.

В результате исследований, проведенных в работе, выявлено, показано, доказано и разработано следующее:

Решение задачи оперативного доведения информации в условиях динамики топологии и трафика сети требует использования адаптивного протокола маршрутизации, основанного на использований в маршрутизации интеллектуальных мультиагентных систем.

Для построения и корректировки таблиц маршрутизации узлов коммутации в телекоммуникационной сети необходима разработка специального протокола и научно-методического аппарата адаптивной маршрутизации, основанной на работе специальных пакетов-агентов.

Протокол адаптивной маршрутизации на основе пакета-агента относится к протоколам обмена маршрутной информацией между промежуточными и оконечными системами. Данный протокол регламентирует правила взаимодействия оконечных и промежуточных систем при обмене служебной информацией, а также процедуры корректировки маршрутных таблиц для обеспечения функции маршрутизации информационных пакетов в пределах однородной сети.

Работа протокола основана на формировании и рассылке специальных служебных пакетов-агентов, называемых пакетами сетевой информации с целью получения информации о состоянии элементов сети, то есть состоянии всех узлов коммутации и каналов связи. Для реализации данного протокола разработаны структуры СПИС и СКП, определены поля служебной информации и алгоритмы их обработки на каждом УК. Также приведена структура маршрутизатора, позволяющего реализовывать алгоритмы обработки ПСИ и корректировки маршрутных таблиц.

С целью снижения нагрузки служебных пакетов на сеть в разработанном протоколе интенсивность ПСИ регулируется в зависимости от ситуации на сети. Для чего после построения таблицы маршрутизации УК интенсивность ПСИ уменьшают до нулевого значения, а в случае каких либо изменений в топологии и трафике приобретает значение, обеспечивающее их корректировку за заданное время.

Вследствие использования нестационарной стратегии управления интенсивностью служебных пакетов возникает необходимость в разработке способа по идентификации изменения состояния топологии или трафика сети, а также методики запуска и останова службы сбора информации о сети и обновления ТМ.

Идентификация ситуации на сети осуществляется на основе использования статистических методов анализа временных рядов на наличие тренда. Останов службы сбора информации о сети основывается на статистическом анализе факта изменений в накопленной статистики для расчёта оценок математического ожидания времени передачи пакета.

Проверка результативности разработанного протокола и методики осуществлялась путем имитационного моделирования процесса адаптивной децентрализованной маршрутизации в телекоммуникационной сети на основе интеллектуальных мультиагентных систем.

Полученные в ходе имитационного моделирования результаты показывают, что разработанный протокол и научно-методический аппарат адаптивной маршрутизации обеспечивают децентрализованную корректировку маршрутов доставки информационных потоков, а также позволяют снизить долю ресурса используемого для корректировки маршрутов при сохранении требуемых характеристик сети.

Анализ результатов работы имитационной модели показывает следующее:

— разработанный протокол маршрутизации достаточно эффективно справляется с поставленными задачами и удовлетворяет предъявляемым требованиям, обеспечивая псевдооптимальный (в рамках принятых правил управления) план распределения информации на сети в условиях реализации децентрализованного управления;

— адаптация маршрутных таблиц обеспечивается служебными пакетами с интенсивностью в десятки раз меньше интенсивности информационного трафика. Вследствие этого дополнительный трафик на сеть, вызванный служебными пакетами, не требует выделения дополнительных канальных ресурсов;

— оперативность передачи сообщений в телекоммуникационной сети с применением разработанного протокола по сравнению с известными на 1020%.

Представляемые к защите научные результаты доведены до алгоритмов и программных модулей, что позволяет их использовать в существующих и перспективных телекоммуникационных и компьютерных сетях.

В рамках сформулированной в диссертационной работе научной задачи дальнейшие исследования целесообразно продолжить в следующих направлениях:

• исследование устойчивости функционирования протокола маршрутизации на основе пакета-агента в условиях значительной динамики трафика сети;

• исследование зависимости потенциально достижимой скорости адаптации маршрутных таблиц от сложности (числа узлов и их связности) топологии сети.