Шубін Євген Вікторович. Метод синтезу топологічної структури мережі передачі даних за критерієм мінімальної вартості з використанням генетичного алгоритму

brief description

Шубін Євген Вікторович. Метод синтезу топологічної структури мережі передачі даних за критерієм мінімальної вартості з використанням генетичного алгоритму : дис... канд. техн. наук: 05.12.02 / Українська держ. академія залізничного транспорту. - Х., 2005

Шубін Є.В. Метод синтезу топологічної структури мережі передачі даних за критерієм мінімальної вартості з використанням генетичного алгоритму. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 Телекомунікаційні системи та мережі. Українська державна академія залізничного транспорту, Харків, 2005.
Дисертація присвячена розробці нових підходів до вирішення задачі синтезу топологічної структури мережі передачі даних (МПД) за критерієм мінімальної вартості підсистеми каналів зв’язку.
Сформульовано основні вимоги до методів синтезу топологічної структури МПД, серед яких є: отримання високої точності рішень; врахування надійності структурних елементів МПД; врахування особливостей сучасного мультимедійного трафіку. Аналіз відомих методів синтезу топологічної структури МПД показав, що жоден з них не задовольняє повною мірою висунутим вимогам. Відповідно до висунутих вимог було розроблено метод синтезу топологічної структури МПД за критерієм мінімальної вартості підсистеми каналів зв’язку, який ґрунтується на принципах генетичного алгоритму та враховує статистично самоподібний характер сучасного трафіку.
Розроблено програмний комплекс в якому реалізовано запропонований метод. Комплекс надає можливість здійснювати синтез нових та оптимізацію існуючих топологічних структур МПД за критерієм мінімальної вартості, як в автоматичному, так і в інтерактивному режимі.

У роботі розв’язано актуальне науково-технічне завдання щодо розробки методу синтезу топологічної структури МПД зі статистично самоподібним трафіком за критерієм мінімальних витрат на оренду підсистеми каналів зв’язку. За результатами рішення даного науково-технічного завдання зроблені наступні висновки:
1. Проведений у роботі аналіз сучасних тенденцій розвитку інформаційних систем та їх впливу на експлуатаційно-технічні характеристики МПД дозволив сформулювати вимоги до методів синтезу топологічної структури МПД, серед яких основними слід вважати: отримання високої точності рішень; формування множини топологічних структур МПД близьких за вартістю та різними за значеннями часових показників і показників надійності; врахування надійності структурних елементів МПД; врахування особливостей сучасного мультимедійного трафіку при визначенні значень часових показників МПД та перепускних здатностей каналів зв’язку. З огляду на те, що жоден з відомих методів синтезу топологічної структури МПД не задовольняє повною мірою висунутим вимогам, було поставлено задачу щодо розробки методу синтезу топологічної структури МПД за критерієм мінімальної вартості підсистеми каналів зв’язку.
2. В результаті аналізу загальної характеристики задачі синтезу топологічної структури МПД та аналізу принципів роботи генетичного алгоритму було визнано перспективність використання генетичного алгоритму як методу синтезу топологічної структури МПД за критерієм мінімальної вартості підсистеми каналів зв’язку.
3. Аналіз впливу топологічної структури на основні показники якості МПД показав, що вона в значній мірі визначає вартість та структурну надійність МПД. Аналіз коефіцієнту зв’язності як показника структурної надійності виявив, що його застосування під час синтезу топологічної структури МПД приводить до отримання надлишкових топологічних структур та зайвих фінансових витрат на оренду підсистеми каналів зв’язку. З метою усунення даного недоліку запропоновано застосувати у якості показника структурної надійності нижню оцінку імовірності зв’язності пар центрів комутації.
4. З метою отримання чисельних значень вартості МПД розроблено метод визначення вартості підсистеми каналів зв’язку МПД. В рамках розробки даного методу отримано аналітичний вираз для визначення середнього часу затримки пакету в МПД, який враховує статистично самоподібний характер сучасного мультимедійного трафіку.
5. Відповідно до поставленої задачі розроблено метод синтезу топологічної структури МПД за критерієм мінімальної вартості підсистеми каналів зв’язку, який ґрунтується на принципах генетичного алгоритму та враховує статистично самоподібний характер сучасного мережевого трафіку при визначені середнього часу затримки пакету в МПД.
6. У рамках розробки методу синтезу топологічної структури МПД за критерієм мінімальної вартості підсистеми каналів зв’язку розроблено частковий недетермінований метод синтезу субоптимальних топологічних структур МПД. Застосування запропонованого методу для формування початкової множини топологічних структур в генетичному алгоритмі дозволило підвищити ефективність пошуку рішення і тим самим зменшити вартість підсистеми каналів зв’язку МПД.
7. Проведений аналіз впливу типу оператора перетину на ефективність пошуку рішення генетичним алгоритмом синтезу топологічної структури МПД виявив більшу ефективність однорідного оператору перетину у порівнянні з одноточечним, що обумовлено однаковою інтенсивністю комбінування каналів зв’язку для кожного центру комутації у разі застосування однорідного оператору перетину.
8. Для реалізації запропонованого методу розроблено програмний комплекс, який дозволяє здійснювати синтез та оптимізацію топологічних структур МПД за критерієм мінімальної вартості, як в автоматичному, так і в інтерактивному режимі. При рішенні даної задачі сформульовані вимоги, що ставляться перед такими системами проектування, а також принципи їх функціонування.
9. Проведено експериментальне дослідження розробленого методу на прикладі синтезу топологічної структури корпоративної телекомунікаційної мережі на території України з центрами комутації у всіх обласних центрах. Результати експериментальних досліджень продемонстрували, що мережа з топологічною структурою, яка отримана в результаті застосування розробленого методу, має на 10% меншу вартість у порівнянні з мережею, топологічна структура якої отримана методом заміни гілок.
10. Надано рекомендації щодо можливості застосування розробленого методу синтезу топологічної структури МПД для вирішення задач конфігурування та динамічної реконфігурації топології IP мережі побудованої поверх ATM. Динамічна реконфігурація топології дозволить збільшити пропускну здатність мережі та виправити тимчасову невідповідність між поточною топологічною структурою і трафіком.
11. Про достовірність отриманих результатів свідчить: відсутність протиріч з відомими результатами для середньої довжини черги та середнього часу затримки заявки в системі масового обслуговування М/М/1; ясне фізичне трактування причин зростання довжини черги та середнього часу затримки заявки в самоподібній моделі системи масового обслуговування у порівнянні з М/М/1; ясне трактування причин підвищення точності рішень в результаті застосування розробленого методу у порівнянні з рішеннями отриманим іншими методами; результати проведених експериментальних досліджень.