Управление информационным трафиком в коммуникационных

УПРАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫМИ ПОТОКАМИ В
КОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЯХ
Сейлова Н.А.
Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева, г. Алматы,
Казахстан, seilova_na@mail.ru
Под алгоритмом маршрутизации пакетов в коммуникационных сетях понимается правило, согласно которому в узле выбирается выходящий магистральный тракт для передачи
поступившего в узел пакета. Это правило может учитывать достижимость отдельных узлов
сети, частоту ошибок при передаче данных очередей пакетов к входящим каналам, оценки
задержек пакетов на различных маршрутах. Соответствующие решения могут приниматься
независимо от каждого отдельного пакета.
Методы маршрутизации допускают определенный уровень адаптации или поиска
обходных путей для того, чтобы миновать поврежденные линию или узел. Однако отдельные
методы отличаются тем, позволяют ли они достаточно быстро реагировать на повреждения и
обеспечивают ли они возможность борьбы с перегрузкой и повреждениями оборудования. К
основным методам на сети можно отнести следующие:
1) динамическая маршрутизация;
2) маршрутизация по виртуальным каналам;
3) маршрутизация по фиксированному пути.
Каждый из этих методов может быть реализован различными способами и может
включать некоторые характеристики других процедур управления маршрутизацией.
Компонентами физической структуры сети передачи информационного потока
являются коммуникационные комплексы - узлы коммутации и магистральные каналы связи,
по которым осуществляется
передача информации, обеспечивающие физическое
соединение узла коммутации между собой и их взаимодействие друг с другом. Узлы
коммутации осуществляют управление процессами передачи информационного потока
между абонентами, в частности, их маршрутизацию в сети, и реализуются обычно на базе
высокопроизводительных многопротокольных маршрутизаторов [1]. Магистральные каналы
связи создаются на базе систем связи общего назначения, например, на базе выделенных
(некоммутируемых) телефонных каналов, каналов цифровых сетей связи, либо
специализированных систем передачи информационного трафика. В качестве линий связи
могут использоваться кабельные, волоконно- оптические, радиорелейные или спутниковые
линии связи.
Рассмотрим проблему управления информационным потоком
в следующей
постановке. Заданы места возможного размещения узлов коммутации (маршрутизаторов),
известны количество и существенные характеристики абонентских вычислительных
комплексов (в том числе локальных и корпоративных сетей), подключаемых к каждому узлу
коммутации, и примерная интенсивность трафика (ожидаемая или та, которую желательно
обеспечить) по передаче и приему, определена доступная номенклатура аппаратных средств
(маршрутизаторы, модемы, адаптеры и т.д.) и их технические характеристики, а также
доступные каналы связи между возможными пунктами размещения узлов коммутации и их
характеристики. Требуется построить такую модель процесса обмена информацией, которая
обеспечивает оптимальное значение критерия качества обслуживания сети.
Пусть топологическая структура сети представляется неориентированным графом
G  {V ; L} , где V  заданное множество мест размещения узлов коммутации сети, при этом
число таких узлов равно n , L  множество ветвей, соответствующих множеству доступных
каналов связи между узлами коммутации. Пусть (ik ) обозначает канал передачи от i -го
узла к k -му узлу ( i , k  соседние узлы ), тогда L  {(ik )} . Каналы (ik ) и (ki ) считаются
различными и все связи предполагаются дуплексными. Каждой ветви (ik )  L сопоставим
группу c ik обслуживающих устройств (временных каналов магистрального тракта), которые
используются для передачи информации.
На каждый узел с заданными интенсивностями поступают нагрузки (пакеты), планы
распределения которых, по всем трактам определяются традиционными методами
адаптивной маршрутизации. Эти методы позволяют распределять пропускную способность
каналов связи сети. Пакеты на обслуживание поступают в сеть случайно и время их
обслуживания заранее неизвестно. Основной этап анализа трафика состоит в описании
процесса поступления пакетов и времени их обслуживания. После этого эффективность сети
можно будет оценить объемом ее трафика и тем, как часто этот трафик может превысить
пропускную способность сети.
Поступающая нагрузка - это общая нагрузка, которая могла бы быть обслужена сетью,
если бы она была способна обслуживать все пакеты по мере того, как они возникают.
Поскольку обычно экономические факторы не позволяют проектировать сеть так, чтобы
обеспечивать немедленное обслуживание максимальной поступающей нагрузки, то обычно
небольшой процент поступающей нагрузки блокируется или задерживается. Если
заблокированные пакеты остаются не обслуженными сетью,
то такой режим работы
называют режимом с явными потерями. По существу, предполагается, что заблокированные
вызовы не исчезают, а становятся в буфер-накопитель узла коммутации для дальнейшего
обслуживания.
Это предположение в наибольшей степени подходит для пучков
соединительных линий с обходными путями. В этом случае заблокированные пакеты обычно
обслуживается другим пучком линий и фактически не возвращается.
На предварительном этапе описания модели управления трафиком обычно
предполагают следующие допущения [2]:
 все узлы коммутации являются абсолютно надежными и время обработки в них
пренебрежимо мало;
 длины всех сообщений (пакетов) распределены по экспоненциальному закону со
средним значением 1 /  бит/с.;
 система находиться в состоянии статистического равновесия;
Эти перечисленные допущения определяют степень приближения рассматриваемой
модели к реальной сети.
Исходными данными при определении оптимальных параметров качества
обслуживания в сети являются:
 структура сети (расположение узлов, емкость ветвей);
 входная нагрузка для обслуживания между каждой пары узлов;
 план распределения потоков сети.
В качестве информационного потока сети
рассматривается поток пакетов,
поступающего в сеть на узел  отправитель i и предназначенного узлуадресату j. Вообще
адрес это закодированное обозначение пункта отправления либо назначения данных. Адрес
объекта определяется числом, кодом, фразой. В список объектов входят регистры, ячейки
памяти, внешние устройства, каналы связи, процессы, системы, сети. Объекты-получатели
данных принято именовать адресатами. Часто адрес связывают с именем объекта.
Обозначим через ri ( j )  среднюю интенсивность входного трафика (в единицах в
бит/с), поступающего в сеть в узле-отправителе i и предназначенного узлуадресату j .
Величину ri ( j ) будем называть входной нагрузкой сети. При распределении входных
нагрузок по ветвям на узлах сети формируются узловые потоки. Пусть ti ( j )  средняя
интенсивность общего потока вызовов (бит/с), проходящего через транзитный узел i и
предназначенного узлу j . Величину t i ( j ) будем называть узловой нагрузкой сети.
Система управления сетью функционирует в процессе установления соединений на
коммутируемой сети. Она предназначена для распределения потоков нагрузки по каналам
передачи с целью обеспечения заданного качества обслуживания при различном состоянии
сети (перегрузка, повреждения и т.д.). Система должна обеспечивать преимущество для
приоритетных абонентов при установлении соединений.
В разветвленных коммутируемых сетях связи между любыми двумя узлами сети
(источником и адресатом) имеется, как правило, несколько независимых путей, по которым
могут быть переданы узловой нагрузки. Основной задачей маршрутизации является выбор
определенного пути из указанного множества. Выбор осуществляется с помощью матриц
(таблиц) маршрутов, которые хранятся в каждом узле коммутации. Если задана совокупность
маршрутных матриц {Mi, i = 1, n }, то это означает, что для всей сети задан план
распределения информации. При статическом плане распределения информации
осуществляется статическая (фиксированная) маршрутизация в сети. Однако наиболее
эффективное использование ресурсов сети достигается при адаптивной маршрутизации,
когда план распределения информации изменяется в соответствии с изменяющимися
условиями работы сети (перегрузками на отдельных направлениях или участках сети,
повреждениями каналов или их пучков, повреждениями УК и др.).
Адаптивная маршрутизация предусматривает выбор оптимальных путей передачи информации в зависимости от ситуации на сети. Оптимизация маршрутизации может производиться как по общесетевым, так и локальным критериям.
В общем случае выбор критерия оптимальности в алгоритмах систем динамического
управления неоднозначен. Предпочтение следует отдавать критериям, связанным с
коэффициентами использования пропускной способности трактов сети. Это означает, что
оптимальными считаются такие решения по маршрутизации или управлению потоками,
которые при выполнении требований к характеристикам доставки информации позволяют
максимально использовать пропускную способность трактов сети, или получить
максимальные значения коэффициентов использования пропускной способности трактов
сети.
Введем следующее обозначение. Пусть K i ( j ) - упорядоченное множество таких узлов
k , которые для адресата j образуют все исходящие из узла i направления передачи (ik ) . В
дальнейшем, для величин обозначенных с помощью индекса k , считается k 
Ki ( j) .
Упорядочение элементов множества K i ( j) производится в соответствии с выбором для узла
j исходящего направления приоритетной очередности в матрице маршрутов Mi.
Обозначим через  ik ( j )  [0;1] долю узлового потока ti ( j ) , которая передается по
ветви (ik ) , причем  ik ( j )  0 , если ветвь (ik ) не используется ни в одном из путей
соединяющие узлы i, j или если i  j , то есть в узле-адресате узловой поток покидает сеть.
Если канал связи (ik ) единственный, то  ik ( j )  1 .
Все вычисления суммарной пропущенной ветвью нагрузки проводятся в два этапа. На
первом этапе определяются все допустимые пути передачи входных нагрузок между парой
узлов. Они образуются по заданным для каждого узла матрицам маршрутов. Таким образом,
формирование допустимых путей основано на выборе соответствующих нужному
узлуадресату столбцов матрицы маршрутов начального и транзитного узлов. Множество
допустимых путей включает следующие пути:
 не содержащие циклы;
 не превышающие для любого узла максимально допустимого числа исходящих
направлений;
 не превышающие для любой пары узлов максимально допустимого числа
транзитных участков.
В процессе обмена информационным потоком между узлами, первое условие из
всевозможных путей исключает неприемлемые циклические маршруты, наличие которых в
сети приводит к возникновению циркулирующих нагрузок. Второе условие для каждого
узла ограничивает число всех возможных исходящих направлений, система управления
сетью обычно предусматривает занятие одного главного направления (прямой путь) и до
четырех обходных направлений [3]. Наконец третье условие ограничивает выбор пути по
числу транзитных участков между парами узлов. В дальнейшем, под путями будут
подразумеваться только допустимые пути передачи нагрузок.
Задание для каждого узла  адресата ориентированного графа путей определяет
некоторый порядок участия каждого узла в процессе передачи нагрузок. В связи с этим
дадим следующее определение.
Определение. Будем говорить, что по направлению движения потока сети узел s
является нижележащим по отношению к узлу l, если имеется маршрут из узла l через s в узел
j, где s, l  Vi(j). Соответственно будем говорить, что по направлению движения потока сети
узел l является вышележащим по отношению к узлу s.
Процесс формирования суммарной узловой нагрузки, которая включает в себя как
входную нагрузку ri ( j) , так и нагрузки t l ( j) , поступающие в узел i со всех смежных с
ним узлов l ,
При распределении входных потоков по ветвям путей передачи на узлах образуются
узловые нагрузки, исходя из своего определения, все величины t i ( j) удовлетворяют
следующей системе уравнений:
ti ( j )  ri ( j )   tl ( j )li ( j ),
l
Согласно определению
ik ( j )  1,
 i, j, l V ( j ),
(1)
 ik ( j ) выполняется следующее равенство
 k  K( j ).
(2)
k
Исходя из этих формул информационный
предназначенный для узла-адресата j составит
поток
на
канале
связи
(ik ) ,
f ik ( j )   ti ( j )ik ( j ),
i ,k
а суммарная интенсивность пропущенной ветвью
формуле:
f ik   f ik ( j ).
(ik )
нагрузки сети определяется по
(3)
j
Развитие
техники
автоматической
коммутации,
взаимное
проникновение
вычислительной техники в технику связи привели к разработке высокоорганизованных
адаптивных систем управления сетями связи, потоками информации и процессами
обслуживания вызовов, абонентов на передачу информации. Такие адаптивные системы
управления обеспечивают устранение или ослабление влияния возникающих неисправностей
отдельных элементов сети и изменения во времени потоков информации между абонентами
и узлами сети на качество обслуживания заявок абонентов и качество передачи
информации. И в связи с этим, рассматриваемая сеть представляется, системой с
ожиданием и качество обслуживания абонентов на ней будет оцениваться средней задержкой
пакетов в сети.
Список литературы
1 Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы.
СПБ.: Питер, 2006 421 c.
2 Якубайтис Э.А. Открытые информационные сети.  М.: Радио и связь, 1991. 208 с.
3 Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979. 600с.