Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время наблюдается бурный рост количества мультимедийных программ и приложений, передающих информацию по компьютерным сетям с коммутацией пакетов В качестве примеров можно привести передачу телевизионных программ (ір телевидение), цифровые библиотеки, видеоконференции, распространение гипертекстовых документов (HTTP) и дистанционное обучение Так как большинство таких приложений не имеют возможности управлять ресурсами и нагрузкой сетей передачи данных, широкое внедрение подобных программ будет иметь ощутимые негативные последствия, начиная с переполнения отдельных TCP потоков (которые составляют большую часть трафика глобальной сети Интернет) до глобальной перегрузки целых компьютерных сетей и их объединений Для решения описанных проблем необходим эффективный метод управления интенсивностью потоков данных в компьютерных сетях, учитывающий характер переносимого трафика
Известно, что трафик как локальных, так и географически распределенных компьютерных сетей обладает самоподобием и долгосрочной зависимостью, выглядит качественно одинаково при почти любых масштабах временной оси, имеет память (последействие), а также характеризуется высокой изменчивостью Масштабноинвариантная изменчивость внесла новые трудности в задачу управления ресурсами компьютерных сетей и интенсивностью потоков данных В частности, самоподобие означает наличие периодов высокой и низкой активности в широком интервале масштабов временной оси, что негативно влияет на управление потоками данных и вносит периоды как недостаточной загруженности, так и перегрузок компьютерных сетей
В настоящее время проблема управления интенсивностью потоков данных в крупных распределенных компьютерных сетях обладает особой актуальностью, определяемой качественной новизной внедряемых приложений, трафик которых обладает особыми, самоподобными свойствами Необходимо отметить отсутствие алгоритмов управления потоками данных, учитывающих самоподобный характер передаваемой информации Следовательно, изучение влияния самоподобных свойств трафика на задачу управления интенсивностью потоков данных, а также учет этого влияния при разработке новых алгоритмов управления этими потоками обеспечат ряд преимуществ увеличение общей пропускной способности компьютерных сетей, уменьшение вероятности потери пакетов и, наконец, увеличение справедливости распределения доступной полосы пропускания между потоками данных Актуальность данного диссертационного исследования обусловлена необходимостью повышения эффективности передачи данных по компьютерным сетям с самоподобным трафиком
Работа выполнена в рамках научного направления Воронежского государственного технического университета — «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы»
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка специального математического и программного обеспечения процессов управления интенсивностью передачи данных в компьютерных сетях с самоподобным трафиком для увеличения пропускной способности, уменьшения доли потерянных пакетов и повышения справедливости распределения полосы пропускания
В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие основные задачи
1 Анализ современных подходов к управлению интенсивностью передачи данных
2. Математическое моделирование процесса управления интенсивностью передачи данных TCP Reno
Оптимизация величин настраиваемых параметров современных алгоритмов управления интенсивностью передачи данных для улучшения функционирования компьютерных сетей в условиях самоподобного трафика
Разработка алгоритма управления интенсивностью передачи данных, использующего самоподобные свойства трафика
Верификация разработанного алгоритма управления интенсивностью передачи данных путем его реализации в операционной системе FreeBSD 5 0 и средстве имитационного моделирования ns-2
Методы исследования. В работе использованы методы статистической обработки данных, теории нелинейных динамических систем, математического и имитационного моделирования
Научная новизна. К результатам работы, отличающимся научной новизной, относятся
1. Математическая модель параметризованного процесса управления интенсивностью потока данных TCP Reno, отличающаяся учетом особенностей функционирования TCP на всех этапах управления потоком и обеспечивающая анализ зависимости характеристик данного алгоритма от настраиваемых параметров.
Модификация алгоритма управления потоком TCP Reno, учитывающая выбор настраиваемых параметров и обеспечивающая его эффективное использование в случае самоподобного трафика
Алгоритм рационального выбора технологии прогнозирования самоподобных процессов, отличающийся учетом точности и вычислительной сложности базовых алгоритмов, обеспечивающий выбор наиболее эффективного метода прогнозирования самоподобных процессов при управлении интенсивностью передачи данных
4. Алгоритм управления интенсивностью потока данных, обеспечивающий оптимизацию передачи данных по компьютерным сетям с самоподобным трафиком за счет прогнозирования доступной полосы пропускания
Практическая значимость работы. Практическая значимость диссертационной работы заключается в создании алгоритмических и программных средств управления интенсивностью потоков данных, передающихся по ком-
пьютерным сетям с самоподобным трафиком Данные средства позволяют существенно оптимизировать процесс передачи данных с точки зрения доли потерянных пакетов, утилизации каналов связи и справедливости разделения общих ресурсов компьютерных сетей
Реализация и внедрение результатов работы Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы реализованы в виде модуля МТСР ядра операционной системы FreeBSD 5 0, полученного в виде программной реализации алгоритма управления интенсивностью передачи данных и предназначенного для использования в составе транспортного протокола TCP Данный программный модуль также используется в программном обеспечении коммутаторов и маршрутизаторов компаний D-Lmk International РТЕ Ltd и НЗС Technologies Ltd, о чем свидетельствуют соответствующие Акты внедрения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на X-XI Международных открытых научных конференциях «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 2005-2006), Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2005), Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса» (Тамбов, 2005), Международной научно-технической конференции «Информационные технологии» (Воронеж, 2005), X Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества информационных технологий» (Москва, 2005), IV Всероссийской научно-исследовательской конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2006), Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2006), Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в современном здравоохранении» (Москва, 2007)
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 научных работах, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит в [1] - алгоритм управления интенсивностью потока данных с использованием прогнозирования доступной полосы пропускания, в [3] — способ оценки влияния параметров TCP на степень самоподобия трафика, в [4, 5, 6] - алгоритм «сглаживания» интенсивности отправки сегментов данных, в [7, 8] - математическая модель процесса управления потоком TCP Reno, учитывающая фазы медленного старта и экспоненциального отката, в [4, 9] — алгоритм управления очередями активных сетевых устройств с выборочным отбрасыванием пакетов, в [10] — подготовка и проведение эксперимента по сбору трафика беспроводной сети, его анализ
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 131 наименование,^ при-
ложения Основная часть работы изложена на 121 странице, содержит 1 таблицу и 47 рисунков
