Контроль трафика в сетях связи

Оглавление
Введение 4
1.1 Принципы построения и функционирования сетей передачи данных 8
1.2 Протокол маршрутизации OSPF 15
1.3 Анализ особенностей трафика 22
Вывод по главе 1 23
2. Статистический анализ реализаций трафика 25
2.1. Реализация трафика сети провайдера Уфанет 25
2.1.1. Трафик беспроводного Интернет-провайдера 25
2.1.2 Тестовые реализации 26
2.2. Анализ статистических показателей исследуемых рядов 28
Выводы по главе 2 30
3.Математическая модель процесса маршрутизации в пакетных сетях с учетом приоритета пакетов 31
3.1. Постановка задачи оптимального распределения потоков 31
3.2. Задача о динамической маршрутизации пакетов 34
3.3. Задача сравнения алгоритма распределения потоков 36
с адаптивным алгоритмом маршрутизации для модели обслуживания 36
трафика М/М/1 36
3.4. Задача сравнения алгоритма распределения потоков 38
с адаптивным алгоритмом маршрутизации для модели обслуживания 38
трафика fbm/D/1 38
Выводы по главе 3 39
4. Моделирование работы адаптивного протокола маршрутизации с использованием фрактального фильтра-предсказателя 40
4.1. Имитационная модель фрактального фильтра 40
4.2. Моделирование процессов маршрутизации и передачи пакетов в сети 44
4.3. Моделирование работы сети с трафиком М/М/1 49
Выводы по главе 4 53
Заключение 54
Список литературы 57
Приложения 60

Однако заданному распределению потоков может соответствовать некоторое число различных алгоритмов маршрутизации. Решение известной задачи оптимального распределения потоков приводится для модели трафикаМ/М/1.2. При сравнении многопутевой, однопутевой и двухпутевой маршрутизациивыявлено, что преимуществом обладает последняя. На этом основании ив результате анализа недостатков адаптивных алгоритмов маршрутизациипредложен алгоритм маршрутизации, использующий два пути, определяемыеалгоритмом кратчайшего пути в графе, при выполнении условий алгоритма пакеты идут по второму (обходному) с меньшим приоритетом.3. На основе задачи сравнения потокового алгоритма и предложенногоалгоритма маршрутизации, при моделях обслуживания трафика - М/М/1 иfbm/D/1, для полносвязной трехузловой сети выведено выражение для расчета параметров работы алгоритма, позволяющего уменьшать среднее время задержки пакетов. Определение условий, при которых алгоритм работает оптимально, в случаях, когда потоки трафика в сети одинаковые и когда разные.4. Моделирование работы адаптивного протоколамаршрутизации с использованием фрактальногофильтра-предсказателя4.1. Имитационная модель фрактального фильтраЭффективность работы адаптивного алгоритма будет оцениваться сравнением с работой сети без адаптивной маршрутизации (без отклонения части потока по обходному маршруту) и с работой сети по алгоритму, отклоняющему пакеты по информации о текущей длине очередей в прямом и обходном маршрутах, позволяющему наиболее максимально использоватьпропускную способность сетей [35]. Коэффициент использования пропускной способности сети можно оценивать по следующим параметрам:среднее время задержки, время задержки, доля отклоняемого потока, джитер- отклонение времени задержки от среднего.Необходимо учесть, что при работе реальной сети алгоритм маршрутизации не может мгновенно адаптироваться под изменение ситуации в сети, возникает задержка вследствиевремени обмена служебными пакетами между маршрутизаторами. Предлагается скомпенсировать задержку за счет фильтра предсказателя,использующего свойства стохастического самоподобия трафика [3]. В данной главе предлагается решение задачи синтеза фрактального фильтра и оценка его работы. В архитектуру маршрутизатора необходимо включить фрактальный фильтр, который будет использоваться при работе предлагаемого адаптивного алгоритма маршрутизации (рисунок 4.1).Модель фильтра предсказателя в пакете simulink (рисунок 4.2).Для определения прогнозируемого значения используется операция свертки импульсной характеристики с входным сигналом (интенсивность трафика). В пакете Matlab имеется функция conv (convolution), которая рассчитывает результат свертки двух векторов [46]. либо можно входной сигнал пропустить через нерекурсивный фильтр [47, 48], где в качестве коэффициентов будут использоваться значения, полученные по схеме представленной на рисунке 4.2.Для заведения значений в фильтр, блоки коэффициентов меняются наумножители, на второй вход которых подаются значения с соответствующихвыходов схемы рисунка 4.2. Коэффициенты зависят от коэффициента Херста, дисперсии, интервала прогноза, и коэффициента а формулы структурной функции:Рис. 4.2Эффективность работы фильтра-предсказателя можно оценить по относительной ошибке предсказания:, где и предсказанное и текущее значение ряда соответственно.В качестве рядов, значения которых будут предсказываться вперед на шаг X, используются ряды, описывающие реализации трафика, рассмотренные в главе 2. Для сравнения будет использоваться фильтр, работающий по формуле где коэффициенты рассчитываются как значения автокорреляционной функции ряда4.2. Моделирование процессов маршрутизации и передачи пакетов в сетиВ разделе приводится модель сети, состоящей из трех маршрутизаторов, описанной в главе 3. Моделирование производится в пакете Simulink системы Matlab-7. На рисунке 4.8 представлена модель сети, схема которой представлена на рисунке 3.2 и алгоритм отправки пакетов по обходному пути.Основными элементами модели являются узлы коммутации, обслуживающие приборы, очереди с приоритетами, источники потока пакетов и получатели пакетов, блок регулирования для передачи пакета по обходному маршруту (рисунок 4.9). В приложении Б приведена схема модели сети построенная в пакете Simulink/Matlab, блоками 1.1, 2.1 и 3.1 представлены источники потоков пакетов (запросов), задается закон распределения и его параметры межпакетных интервалов, а также закон распределения и его параметры времени обслуживания пакета (рисунок 4.10). Для модели обслуживания М/М/1 это будут экспоненциальные распределения.Для формирования потока пакетов с моделью обслуживания fbm/D/1 используется схема, представленная на рисунке 4.10.Поток с интервалами времени между пакетами, обладающий свойствами fbm процессов, формируется в блоках time-based entity Generator, по сигналу, приходящему с блока b1 из рабочей области Matlab, где располагаетсяфайл со значениями интервалов. При формировании ряда задается коэффициент Херста, также можно промасштабировать исходный ряд с целью задания среднего, минимального и максимального значений. В блоке атрибутов задаются приоритеты заявок и адресная информация для продвижения заявки по сети (соответствует метки в технологии MPLS) [2, 49, 50].Узел коммутации представляет собой соединение комбайнера (или временного мультиплексора), коммутатора (или демультиплексора) которыйпроизводит распределение пакетов по портам назначения на основе атрибута(или метки), и блоков назначения атрибутов, рисунок 4.11. Блок назначенияатрибутов используется, если необходимо поменять значение атрибута, впредложенной модели применяется для отправления пакета по обходномупути.Блок очереди с приоритетами организован с использованием комбайнера и коммутатора, двух очередей (для приоритетных и неприоритетных пакетов) и регулятора для организации относительного приоритетного доступа к обслуживающему прибору (рисунок 4.12). В последнем задается время обслуживания пакета.Блок формирования сигнала, для передачи пакета по обходному пути, относительно значения R, получает информация о длинах очередей с низкими приоритетами, эти значения складываются и сравниваются с заданным значением R, если число пакетов меньше R, то формируется единица, если больше - нуль. Сигнал от сравнения с порогом R подается в блок AND, куда также подается сигнал от сравнения длины очереди в прямом канале с порогом Д если порог D превышается, то формируется единица, если нет - нуль.При выполнении условий появления обходного пакета блок AND формирует единицу, которая в блоке атрибутов задаст маршрут движения пакета (рисунок 4.13).Блок вычисления коэффициента загрузки производит расчет средней интенсивности потока за отрезок времени 5 единиц, по 50 значениям, и делит на пропускную способность. Следующий блок выбирает значения через заданный интервал (10, 20 единиц) и сохраняет его на выходе в течение заданного интервала.При работе модели сети для трафика fbm/D/1 схема подведения сигналов для вычисления параметра D остается такой же как на рисунке 4.14. Необходимо добавить коэффициент Херста и коэффициент вариации потоков трафика. Для имитации задержек передачи, возникающих при передаче служебных пакетов и обновлении информации о текущей загруженности портов маршрутизаторов, вводятся элементы задержки, а для устранения этого эффекта фильтры-предсказатели (рисунок 4.16).4.3. Моделирование работы сети с трафиком М/М/1При моделировании сети с моделью обслуживания трафика М/М/1 время обслуживания пакетов и интервалы времени между пакетами распределены по экспоненциальному закону с заданными средними значениями.Моделироваться будут следующие режимы работы сети:- без предлагаемого в работе алгоритма отклонения потока;- с алгоритмом отклонения потока;- с алгоритмом отклонения потока и внесением задержек для сообщенийотражающих состояния потоков;- с алгоритмом отклонения потока, внесением задержек для сообщений и использованием фильтров-предсказателей для компенсации задержки;- с алгоритмом отклонения потока. Применение такой метрики дает наилучший результат по среднему времени задержки [2, 35].Результаты моделирования будут сравниваться по среднему и максимальному времени задержки для всех пакетов потока ij, только для прямых и только для обходных пакетов потока ij.Опыт 1. Время обслуживания пакетов распределено по экспоненциальному закону со средним - 0,6; интервалы времени между пакетами распределены по экспоненциальному закону для пактов направления ij со средним - 1 (т.е. р = 0,6), для пакетов направления ik и kj среднее — 1,8 (р = 0,3). Время моделирования 1000. Общее число пакетов направления ij - 1040.При использовании предлагаемого алгоритма маршрутизации по обходному пути проходят 7 % пакетов, что совпадает с расчетами в глав 3, среднее время задержки уменьшается на 14 %, в идеальных условиях и маршутизации по метрике - среднее время задержки можетуменьшиться на 25 %, однако при этом возрастает максимальное значение задержки почти в 3 раза, т.е. увеличивается джитер. Введение задержек для сигналов управления незначительно ухудшает среднее время задержки, введение фильтров-предсказателей ухудшает джитер.Опыт 2. Среднее время обслуживания 0.6, среднее время поступления для пакетов направления ij со средним - 0.85 (т.е. р = 0,7), для пакетов направления ik и kj среднее - 1,8 (р = 0,3). Время моделирования 1000. Общее число пакетов направления ij - 1221.При использовании предлагаемого алгоритма по обходному пути проходят 8 % пакетов, что совпадает с расчетами в главе 3 (рисунок 3.9) среднее время задержки уменьшается на 18 %, в идеальных условиях и маршрутизации по метрике - , среднее время задержки может уменьшиться на 25 %, максимальное значение задержки не меняется. При введение задержек для сигналов управления и фильтров-предсказателей среднее время задержки не меняется, но увеличивается максимальное время задержки (таблица 4.2).Из графиков на рисунке 4.17 видно, что увеличение максимального времени задержки дает один пакет.Опыт 3. Среднее время обслуживания 0.6, среднее время поступления для пактов направления ij со средним - 0.85 (т.е. р = 0,7), для пакетов направления ik среднее - 3 (р = 0,2) и kj направления среднее - 1,8 (р = 0,3).Время моделирования 1000. Общее число пакетов направления ij - 1221. При уменьшении интенсивности одного из потоков в сети исследуемыйалгоритм увеличил долю обходных пакетов на 12 %, при этом снизилось среднее и максимальное время задержки. При внесении блоков задержек доля обходных потоков увеличилась среднее время задержки, по сравнению с предыдущим опытом, не поменялось. Использование фил ьтра- предсказателя no по сравнению с предыдущим опытом дало только уменьшение максимального времени задержки (таблица 4.3).Использование предлагаемого алгоритма маршрутизации дает значения по доле отклоняемого потока, близкие к расчетным, выигрыш по среднему времени задержки, но при этом может увеличиться джитер.Выводы по главе 41. Разработана модель фильтра-предсказателя, получено выражение импульсной характеристики, учитывающей свойства стахостического самоподобия трафика, сетей передачи данных уровня распределения, позволяющего вычислять прогнозируемое значение ряда на основе параметров этого ряда (дисперсия, коэффициент Херста), полученных на интервале упреждения.2. Анализ моделирования работы фильтра, на основе сравнения относительной погрешности предсказания для исследуемых реализаций трафика, получаемых с помощью фрактального и автокорреляционного фильтров показал, что погрешность предсказания, как для фрактального, так и для автокорреляционного фильтров на шаге предсказания 1-5 примерно одинаковая и составляет от 0,05 до 0,3 для рядов, обладающих свойством персистентности.Фрактальный фильтр имеет меньшую относительную погрешность, чем автокорреляционный фильтр на достаточных интервалах упреждения (начиная с 40 - 50) и шаге прогнозирования 5-10.3. Предложена структура и модель маршрутизатора, работающего с адаптивным алгоритмом маршрутизации, предлагаемого в данной работе, с использованием фрактальных фильтров-предсказателей, компенсирующих задержку служебных сообщений, позволяющего уменьшить среднее время задержки.ЗаключениеИтак, актуальность данной работы непосредственно связана со все возрастающей ролью, которую играют корпоративные компьютерные сети для обеспечения эффективности управления и успешного функционирования самых разных организаций. При этом практически в каждой такой сети наблюдается общая тенденция увеличения числа пользователей, объемов циркулирующей информации, интенсивности трафика и связанных с этими обстоятельствами ухудшения качества сетевых услуг. Все это требует проведения экспериментальных исследований свойств сети, причем не только в режиме оперативного мониторинга, но и для более глубокого изучения – в частности, с целью прогнозирования их поведения. С этим же связана и задача совершенствования соответствующего научно-методического и программного обеспечения анализа и моделирования.В ходе проведения исследования дипломной работы было трафик обладает таким признаком, как самоподобие и наиболее оптимальной моделью для передачи данных является fbm/D/l. Отличительной особенностью данной модели можно выявить адекватность оценки задержки в сетях передачи данных, в отличии от М/М/1.В ходе исследования разрабатывался фильтр-предсказатель интенсивности трафика, основанный на свойстве самоподобия трафика. Данный фильтр компенсирует задержку времени, которая может возникать при передаче служебных пакетов.Также был разработан метод адаптивной двухпутевой маршрутизации, который основывается на принципе сравнения длин очередей в прямом и обходном маршрутах с заданными пороговыми значениями.Была предложена имитационная модель для передачи данных в пакете matlab, которая включала в себя метод адаптивной двухпутевой маршрутизации. Данная методика позволила оценить эффективность работы предлагаемого метода маршрутизации. Средняя задержка пакетов в сети уменьшается 2-3 раза для трафика модели fbm/D/l.Список литературыКенин А.М. Самоучитель системного администратора; БХВ-Петербург, 2008. - 560 c.Кирх О. LINUX для профессионалов. Руководство администратора сети; СПб: Питер, 2000. - 368 c.Норенков И.П.; Трудоношин В.А. Телекоммуникационные технологии и сети; М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана; Издание 2-е, испр. и доп., 2000. - 248 c.Пятибратов А.П.; Гудыно Л.П.; Кириченко А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации; М.: Финансы и статистика; Издание 2-е, перераб. и доп., 2004. - 512 c.Хант Крейг. Персональные компьютеры в сетях TCP/IP. Руководство администратора сети; Киев: BHV, 2003. - 384 c.Кульгин М.В. Компьютерные сети. Практика построения. - СПб., 2003.Медведовский И.С. DNS - под прицелом. - СПб., 2003.Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети: принципы, технологии, протоколы.- СПб., 2001Фратто М.М. Механизмы защиты корпоративных сетей. - М.,2001Шалин П.А. Компьютерная сеть своими руками. - СПб., 2003.Романов В.П. Проектирование экономических информационных систем: методология и современные технологии: Учебное пособие. [текст] / В.П. Романов, Н.З. Емельянова, Т.Л. Партыка - М. : Экзамен, 2005. -256 c.Информационные системы и технологии в экономике и управлении: учебное пособие / под ред.проф. В.В.Трофимова.- М.: Высшее образование, 2007. - 480с.Зиндер Е.З. Бизнес-реинжиниринг и технологии системного проектирования. учебное пособие. / Е.З. Зиндер - М.: Центр информационных технологий, 1996. - 324с.Ковалев В.В. Методы оценки инвестиционных проектов. М.: Финансы и статистика, 1999. 210 с.Бобкова О.В. Охрана труда и техника безопасности. Обеспечение прав работника, 2008.290с.Дьяконов В. П. Simulink 5/6/7: Самоучитель. М.: ДМК -Пресс, 2008. -784с.Дьяконов В.П. Энциклопедия Mathcad 2001 i и Mathcad 11. - СОЛОН-Пресс, 2004. - 832с.Федер Е. Фракталы: Пер. с англ. - М: Мир, 1991. - 254 с.Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. -2-е изд., перераб.и доп.-М.: Сов.радио, 1982.-624с.Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.- 13-е изд. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат.лит.,1986.-544с.Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2006. -751с.Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями; пер. с англ. подред Б. С. Цыбакова. - М.: Мир ,1979.Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. - М.: Машиностроение,1979.Богуславский Л. Б. Основы построения вычислительных сетей для автоматизированных систем / Л. Б. Богуславский, В. И. Дрожников- М.:Энергоатомиздат, 1990. - 256с.Модификация алгоритма адаптивной маршрутизации в корпоративныхсетях передачи данных / А. X. Султанов, И. В. Кузнецов, А. М. Комиссаров// Компьютерные науки и информационные технологии (CSIT' 2005): матер. VII Междунар. науч. сем. - Уфа, 2005, Т. 2. С. 260-262.(Статья на англ. языке)Методы повышения эффективности использования пропускной способностиканалов связи в пакетных сетях с дифференциальным обслуживанием/ А. М. Комиссаров // Электронные устройства и системы:межвузовский научный сборник. -Уфа, УГАТУ, 2010. С. 172-178.Теория телетрафика / Б. С. Лившиц, А. П. Пшеничников, А. Д. Харке-вич, учебник для вузов. - М.: Связь, 1979. - 224 с.http://www.bgbilling.ruhttp://www.cisco.comhttp://www.dlink.ruhttp://www.nag.ruПриложения