Пономарев Дмитрий Юрьевич. Моделирование и оптимизация распределения трафика в телекоммуникационных сетях

Краткое описание

Пономарев Дмитрий Юрьевич. Моделирование и оптимизация распределения трафика в телекоммуникационных сетях: диссертация ... доктора Технических наук: 05.12.13 / Пономарев Дмитрий Юрьевич;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»], 2019

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования «Сибирский государственный университет науки и технологий
имени академика М.Ф. Решетнева»
На правах рукописи

Пономарев Дмитрий Юрьевич
Моделирование и оптимизация распределения трафика в
телекоммуникационных сетях
05.12.13. - " Системы, сети и устройства телекоммуникаций
Диссертация на соискание ученой степени
доктора технических наук
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Шайдуров Г.Я.
Новосибирск - 2019
Содержание
Содержание 2
Список иллюстраций 6
Список таблиц 10
Введение 11
Глава 1 Телекоммуникационные сети и их характеристики 23
1.1 Классификация телекоммуникационных сетей 24
1.2 Структура телекоммуникационной сети 27
1.3 Характеристики телекоммуникационных сетей 28
1.4 Современные технологии телекоммуникационных сетей 32
1.5 Модель взаимодействия открытых систем 34
1.6 Технология Ethernet 35
1.7 Технология ATM 38
1.8 Коммутаторы канального уровня 42
1.9 Протокол IP 46
1.10 Технология MPLS 53
1.11 Методы анализа характеристик телекоммуникационных сетей 57
1.11.1 Методы анализа сетей массового обслуживания 57
1.11.2 Network Calculus 71
1.11.3 Тензорный анализ сетей: общий подход 74
1.11.4 Тензорный анализ телекоммуникационных сетей 84
Выводы 96
Глава 2 Общие положения применения инвариантного моделирования к оценке вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных сетей.. 99
2.1 Предварительные сведения 99
2.2 Характеристики и параметры телекоммуникационных сетей 105
2.3 Модели телекоммуникационных сетей 107
2.4 Инвариантные модели телекоммуникационных сетей 111
2.5 Топологии телекоммуникационных сетей 114
2.6. Виды используемых моделей телекоммуникационных сетей 117
2.7 Алгоритм применения инвариантного моделирования к задаче исследования телекоммуникационных сетей 120
Выводы 122
Глава 3 Модифицированный контурный метод оценки среднего числа требований 126
3.1 Теоретические основы метода 126
3.2 Алгоритм программной реализации модифицированного контурного
метода оценки среднего числа требований 135
3.3 Программная реализация модифицированного контурного метода
оценки среднего числа требований 137
Выводы 144
Глава 4 Контурный метод анализа загрузок систем 147
4.1 Теоретические основы метода 147
4.1.1 Теорема о количестве контурных интенсивностей 156
4.2. Алгоритм применения контурного метода оценки загрузки систем 158
4.3. Пример оценки загрузок систем предложенным методом 160
4.4 Анализ временных характеристик спутниковой сети передачи данных 163
4.5 Анализ временных характеристик телекоммуникационных сетей с
учетом свойства самоподобия 173 
4.6 Программная реализация контурного метода оценки загрузки систем
178
Выводы 182
Глава 5 Узловой метод оценки загрузки телекоммуникационных сетей и
систем 186
5.1 Основные положения узлового метода оценки загрузки
телекоммуникационных сетей и систем 187
5.2. Алгоритм применения узлового метода при использовании в качестве
инварианта выражения для загрузки систем 192
5.3. Программная реализация узлового метода 195
5.4 Применение узлового метода к оценке вероятностно-временных
характеристик сети IMS 202
5.5 Узловая модель распределения трафика в спутниковой
телекоммуникационной сети с межспутниковыми линиями 209
5.6. Учет потерь в узловой модели однополюсных сетей 213
5.7 Программная реализация учета потерь в однополюсных сетях 226
5.8 Программная реализация узлового метода для оценки вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных сетей 230
5.8.1 Интерфейс ввода-вывода 231
5.8.2 Тензорное ядро 235
5.8.3 Расчет параметров QoS 243
5.8.4 Примеры расчетов 245
5.9 Оптимизация распределения трафика в телекоммуникационной сети 249
5.9.1 Оптимизация среднего времени задержки в сети IMS 
5.9.2 Оптимизация спутниковой телекоммуникационной сети по критерию
среднего времени доставки сообщений 264
Выводы 282
Заключение 286
Список литературы 294
Приложение А 315
Приложение Б 320

Список литературы

Заключение
В качестве заключения ниже представлены основные результаты работы.
1. В работе поставлена научная проблема анализа вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных сетей с учетом процессов в ней происходящих и ее топологии. Решение данной проблемы позволит получить оценку эффективности работы сети в целом и повысить ее производительность. В качестве базового метода решения данной проблемы предлагается использовать тензорный анализ сетей.
Характеристики телекоммуникационных сетей рассматриваются с позиции приложения тензорного анализа сетей. Определены две группы характеристик исследуемых сетей. Это потоковые, связанные с потоком поступления пакетов, которые относятся к продольным величинам, измеряемым в одной точке; и системные, отнесенные к поперечным величинам. К первым относятся интенсивность поступления пакетов, среднее число вызовов в час, скорость поступления информации. Ко вторым: загрузка, среднее число требований в системе, интенсивность поступающей нагрузки в Эрл. В качестве параметров систем рассматриваются следующие величины: средняя длительность
обслуживания, интенсивность обслуживания, среднее время задержки пакета в системе, пропускная способность системы. Потоковые и системные характеристики связаны через параметры системы. Определены формулы преобразований для потоковых и системных характеристик телекоммуникационных сетей, рассматриваемые в контексте тензорного анализа, как контравариантные и ковариантные, соответственно.
2. В работе впервые предложена обобщенная структура инвариантной модели телекоммуникационных систем, отличающаяся разделением входящего, исходящего и внутреннего трафика. В качестве основы модели телекоммуникационной сети предложено использовать базовый блок, в состав которого входят системы, моделирующие входящие и исходящие интерфейсы, как физические, так и логические; и блок обработки, который является моделью основного обслуживающего устройства: для коммутатора это коммутационный элемент, для IP-маршрутизатора это многоэтапное обслуживание и т.д. В модели телекоммуникационной сети данные системы, рассматриваются, как ветви, обладающие направлением и ограниченные узлами.
Для рассматриваемых моделей телекоммуникационных сетей определен примитивный элемент сети в виде отдельной, т.е. несвязанной системы массового обслуживания. Определена базовая сеть, состоящая из несвязанных примитивных элементов, в терминах тензорного анализа сетей являющаяся примитивной. Примитивная сеть может быть представлена, как состоящая из несвязанных примитивных элементов.
Проведен анализ топологий исследуемых телекоммуникационных сетей, в результате которого выявлены особенности формирования моделей данных сетей. Основные модели данных сетей могут быть представлены в контурном или узловом виде.
С использованием вышеуказанных утверждений разработана обобщенная инвариантная модель системы обслуживания информационных потоков в телекоммуникационной сети, которая позволяет обеспечить моделирование процессов разделения входящего и исходящего трафика и реализовать возможность учета функциональной роли элементов при обработке информации.
3. В работе впервые представлены результаты разработки обобщенного
алгоритма применения инвариантного моделирования к задаче оценки характеристик качества обслуживания информационных потоков в
телекоммуникационных сетях, отличающийся принципом формирования структуры модели, использованием декомпозиционной сети, наличием вспомогательной системы координат.
4. В работе предложена модификация контурного метода тензорного анализа
сетей, основанного на инварианте среднего числа требований в системе, для оценки характеристик качества обслуживания информационных потоков в
телекоммуникационных сетях, заключающаяся в использовании вспомогательной
системы координат и установлении функциональной зависимости от загрузки тензоров качественных показателей. Модификация метода проф. Петрова М.Н. произведена с целью устранения сложностей, возникающих при практическом применении метода, для чего введены следующие составляющие уравнения поведения сети: тензор, элементы которого являются функциональными
зависимостями среднего времени задержки от загрузки для заданной дисциплины обслуживания и заданного значения загрузки; тензор, элементы которого являются функциональными зависимостями среднего числа требований от загрузки для заданной дисциплины обслуживания (типа системы массового обслуживания) и заданного значения загрузки.
На основе предложенного метода разработана модифицированная контурная инвариантная модель телекоммуникационной сети, использующая инвариант среднего числа требований, находящихся в системе, которая позволяет реализовать возможности по оценке среднего числа требований в телекоммуникационной сети, используя в качестве исходных данных значения загрузок систем. Для данной модели установлены правила преобразования для модифицированного уравнения состояния.
Разработан алгоритм формирования контурной инвариантной модели, основанный на инварианте среднего числа требований, отличающийся применением модифицированного контурного метода тензорного анализа сетей, основанного на инварианте среднего числа требований в системе.
Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для формирования модифицированной контурной модели, инвариантной относительно среднего числа требований в системе, которое позволяет произвести оценку качественных показателей телекоммуникационной сети для заданных топологий сети и дисциплин обслуживания систем распределения информации.
5. В четвертой главе представлены результаты разработки контурного метода оценки качественных показателей телекоммуникационных сетей, основанного на инварианте загрузки систем и отличающегося от известных методов:
использованием тензоров длительностей обслуживания, интенсивностей поступления и загрузки; способом формирования контурной структуры модели; применением вспомогательной системы координат; способом выбора базисных переменных; введением мнимых систем. Разработанный метод использует в качестве инвариантного уравнения выражение для загрузки систем, что снимает ограничения для практического применения контурного метода инвариантного моделирования телекоммуникационных сетей. При разработке метода доказана теорема о неединственности решения для контурных инвариантных моделей при количестве контуров меньше числа систем.
Введение понятий исходной, примитивной и вспомогательной сетей позволило определить тензор и формулы преобразования. Определено основное уравнение, позволяющее найти загрузки систем исходной сети. Решение этого уравнения относительно контурных интенсивностей обеспечивает нахождение распределения трафика по сети. Откуда, может быть получена загрузка для каждой системы.
6. При использовании вышепредставленных выражений разработана контурная инвариантная модель телекоммуникационной сети, основанная на инварианте загрузки систем, которая позволяет провести оценку качественных характеристик исследуемой сети при исходных данных в виде интенсивностей поступления и предварительных загрузок систем. На базе разработанной модели были сформированы в т.ч. контурная инвариантная модель спутниковой сети обработки информации и контурная инвариантная модель телекоммуникационной сети с учетом свойства самоподобия поступающего трафика. Продемонстрированы примеры использования предложенного метода к задаче определения загрузок систем телекоммуникационной сети из двух взаимодействующих маршрутизаторов и мультисервисной сети с обслуживанием гетерогенных потоков.
Сделан вывод о возможности применения предложенного метода к задаче определения характеристик телекоммуникационных сетей с целью обеспечения необходимого времени доставки информации и надежности передачи информации. Кроме того, нахождение распределения трафика в сети позволяет найти перегруженные участки и разработать методы перенаправления потоков информации для предотвращения перегрузки. Следовательно, разработанный метод позволит оценить эффективность работы телекоммуникационной сети с целью повышения ее производительности.
Разработан алгоритм создания контурной инвариантной модели, основанный на инварианте загрузки систем, для оценки характеристик качества обслуживания информационных потоков в телекоммуникационных сетях, отличающийся способом формирования структуры модели, использованием тензоров длительностей обслуживания, интенсивностей поступления и загрузки.
Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для формирования контурной инвариантной модели телекоммуникационной сети, использующее в качестве инварианта загрузку систем, и которое позволяет производить анализ вероятностно-временных характеристик данной сети. Представлена программная реализация разработанного метода и
продемонстрированы результаты работы программного обеспечения.
Представленные результаты демонстрируют широкие возможности инвариантного моделирования по исследованию телекоммуникационных сетей, особенно при больших масштабах сетей. Также, следует отметить хорошую формализуемость алгоритма контурного метода.
7. В работе предложен узловой метод, основанный на инварианте загрузки систем, для оценки характеристик качества обслуживания информационных потоков в телекоммуникационных сетях, отличающийся: использованием тензоров интенсивностей обслуживания, интенсивностей поступления и загрузки; выбором исходных данных; способом формирования узловой структуры модели; применением вспомогательной системы координат; способом выбора базисных переменных; введением узловых загрузок и мнимых систем. Представленный узловой метод основан на инварианте загрузки систем, используется для оценки характеристик качества обслуживания информационных потоков в телекоммуникационных сетях.
При формировании узловой модели телекоммуникационной сети используется инвариант загрузки систем. Полученная узловая модель позволяет производить оценку вероятностно-временных характеристик данной сети. Для данной модели определено, что в качестве инвариантного уравнения используется выражение: Л = рр.
Определены виды узловых сетей, необходимых для моделирования телекоммуникационных сетей: исходная, примитивная, вспомогательная.
Определены уравнения состояния для каждого вида сетей на основе вышеуказанного инвариантного уравнения.
Определено правило преобразования для узловой модели телекоммуникационной сети, как взаимосвязь загрузок в примитивной и вспомогательной сетях. С использованием этого преобразования сформулированы правила преобразования координат исходной сети для получения распределения трафика в исследуемой сети и расчета требуемых вероятностно-временных характеристик. На основе полученных правил преобразования разработан алгоритм формирования узловой инвариантной модели для оценки качественных характеристик телекоммуникационных сетей, основанный на инварианте загрузки систем.
Продемонстрировано применение узлового метода к оценке вероятностно-временных характеристик различных телекоммуникационных сетей. Получены результаты, позволяющие сделать вывод о возможности использования узлового метода для управления качественными показателями сети обработки информации.
8. В работе предложена узловая инвариантная модель с учетом потерь при обслуживании информационных потоков в телекоммуникационных сетях, отличающаяся использованием недиагональных элементов тензора интенсивностей обслуживания. Основной результат такой модификации заключается в том, что использование в узловой модели тензорного анализа сетей ненулевых недиагональных элементов матрицы интенсивностей обслуживания позволяет учесть, как снижение интенсивности потока, связанное с потерями при ограниченности ресурсов, так и увеличение интенсивности потока, связанное с наличием служебной информации при обработке информационных потоков.
На основе модификации узлового метода разработана модифицированная узловая модель телекоммуникационной сети, основанная на использовании инварианта загрузки систем, и которая позволяет учитывать потери, возникающие при обслуживании информационных потоков.
9. В пятой главе работы представлены результаты программной реализации разработанного алгоритма для инвариантных моделей телекоммуникационных сетей. Алгоритмическое и программное обеспечение для формирования узловой модели телекоммуникационной сети использует в качестве инварианта загрузку систем и позволяет анализировать вероятностно-временные характеристики данной сети. При создании программного обеспечения подтвердились выводы о хорошей формализуемости проектных процедур, основанных на инвариантных моделях. Кроме того, в данной реализации предусмотрено определение вероятностно-временных характеристик для отдельных маршрутов передачи информации в телекоммуникационной сети. Следует отметить, что одним из свойств инвариантных узловых моделей является возможность сокращения исходных данных и введения вероятностей распределения трафика, что также было реализовано.
Для оценки вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных сетей с использованием предложенного подхода разработано программное обеспечение, позволяющее оценить характеристики качества обслуживания в исследуемых сетях. Показаны примеры расчетов показателей QoS.
10. Продемонстрирована возможность использования узловых инвариантных моделей для решения задачи оптимизации распределения трафика с целью уменьшения среднего времени задержки, возникающей при передаче данных в телекоммуникационных сетях. Разработаны оптимизационные инвариантные модели распределения трафика в телекоммуникационных сетях, которые обеспечивают минимальное время задержки сети при обслуживании информационных потоков. Представлены результаты оптимизации по среднему времени задержки для сети IMS и спутниковой сети передачи данных, на примере которых показана возможность управления распределением трафика в рассматриваемых сетях с целью повышения качества обслуживания.
В заключение можно сделать вывод о том, что в связи с тем, что в современных телекоммуникационных сетях необходимо управлять большим количеством устройств и проводить обработку множества информационных потоков (обладающих в т.ч. и свойством самоподобия) с заданным качеством обслуживания для каждого типа потока, решение задачи управления эффективным использованием ресурсов сети значительно усложняется. Тензорный метод анализа сетей, как обладающий возможностями по учету процессно-структурного взаимодействия и гибкости применения, позволяет обеспечить решение такой задачи с небольшими вычислительными затратами, уменьшить задержки при динамическом управлении телекоммуникационными системами и обеспечить хорошую масштабируемость сети, как при внедрении новых услуг, так и при изменении структуры и технологий телекоммуникационной сети. Кроме того, тензорный метод позволяет достаточно просто формализовать проектные процедуры с целью автоматизации процесса проектирования телекоммуникационных сетей, что позволит повысить качество обслуживания информационных потоков в сетях, в том числе и при обслуживании самоподобных потоков, и обеспечить равномерную загрузку устройств сети и снизить время задержки, создаваемое сетевыми приложениями в транзитных и оконечных узлах сети связи.