Одним из необходимых условий развития информационного пространства России является создание телекоммуникационной сети передачи данных, необходимой для различных видов обмена информацией, в том числе в области науки и образования, в различных регионах Российской Федерации.
Государственная политика в области информатизации науки и образования в рамках Межведомственной программы создания «Национальной сети компьютерных коммуникаций для науки и высшей школы» 1996;2001 гг. способствовала созданию опорных научно-образовательных сетей федерального значения RBNet и RUNNet, осуществляющих передачу данных в регионы по специальным бюджетным тарифам. Ввиду того, что данный трафик предназначен для некоммерческого использования, необходимо создать отдельные телекоммуникационные инфраструктуры его доставки и распределения внутри региона.
Таким образом, является актуальным создание регионального сегмента российской телекоммуникационной сети передачи данных для решения задач в области образования и науки.
Несмотря на одинаковую формулировку требований к региональным сетям передачи данных подходы к их созданию на местах сильно зависят от технических условий. Поэтому создание телекоммуникационной инфраструктуры передачи данных в каждом регионе является отдельной научно-технической проблемой, решение которой требует научных исследований и оригинальных технических решений.
Важность решения данной научно-технической проблемы состоит в совершенствовании теоретической, технологической и технической базы телекоммуникационных систем, обеспечивающих ускорение научно-технического прогресса в области телекоммуникаций.
Необходимость создания регионального сегмента российской телекоммуникационной инфраструктуры образования и науки определяет цель диссертационной работы — исследование и разработка телекоммуникационных систем региональной опорной сети передачи данных, системы мониторинга и адаптивного контроля перегрузок на участках сети.
Под телекоммуникационной системой понимается аппаратно-программный комплекс, осуществляющих передачу данных без изменения их контента. Телекоммуникационная сеть есть интеграция телекоммуникационных систем, которая, в свою очередь, является телекоммуникационной системой более крупной телекоммуникационной сети.
Создание телекоммуникационных сетей науки и образования в российских регионах, как правило, осложняется рядом трудностей. Так как трафик научно-образовательных федеральных сетей предназначен для некоммерческого использования, его распределение внутри региона обеспечивает бюджетный оператор (БО), имеющий лицензии Мининформсвязи на соответствующие услуги. Для доставки бюджетного трафика до потребителей и исключения его нецелевого использования создается отдельная телекоммуникационная инфраструктура, управляемая оператором, имеющим статус представителя федеральных научно-образовательных сетей в регионе.
В условиях ярко выраженного фактического монополизма коммерческих операторов связи внутригородского и междугороднего уровней, оператор научно-образовательной сети рассматривается коммерческим оператором в качестве конкурента. При этом коммерческий оператор (КО) старается не предоставлять последнему свои линии связи в аренду, а стремится продавать IP-порты по рыночным ценам. Для него развитие науки и образования стоит не на первом месте, что отражается на его дальнейшей ценовой политике по отношению к бюджетному оператору (БО). Шаги поддержки с их стороны, конечно же, есть, но они носят разовый и несистемный характер.
Любая организация, занимающаяся построением сетей передачи данных, сталкивается с необходимостью применения различных технологий для организации как магистральных каналов связи, так и реализации «последней мили». Разнообразие технологий в этой сфере деятельности обусловлено региональной уникальностью технических условий, которые выдвигаются собственниками коммуникаций, с которыми приходится взаимодействовать БО. Технические условия являются следствием объективных факторов, коими является географическое положение объектов, степень развития инфраструктуры операторов связи, стоимость аренды портов и кабельного хозяйства, нормативные акты Мининформсвязи.
Поскольку создание собственных протяженных коммуникаций не каждому БО под силу, жизнь заставляет использовать линейную инфраструктуру первичных операторов связи, организуя каналы передачи данных согласно имеющихся у КО технических средств. Это также значительно затрудняет построение в полной мере масштабируемой и отказоустойчивой инфраструктуры научно-образовательных сетей.
В отличие от информационно развитых стран мира, где телекоммуникационная инфраструктура системно создавалась с нуля типовыми решениями в течение многих лет, в России создание в регионах телекоммуникационных сетей и применение современного телекоммуникационного оборудования осложнено необходимостью быстрого внедрения инфокоммуникаций и огромным разнообразием технических условий для их построения. Это многообразие является следствие больших географических масштабов, отсутствием достаточных средств для прокладки современных линий связи, а также нежелания КО предоставлять для использования существующую кабельную инфраструктуру, нормативных актов Мининформсвязи и т. д. для нужд БО.
Например, специфика Волгоградского региона состоит в том, что по ряду причин первые магистральные наземные цифровые каналы связи ОАО «Ростелеком» появились в Волгограде только в 2000 году. Спутниковые каналы стоили тогда слишком дорого. Это сильно тормозило развитие телекоммуникаций в регионе. Началом развития цифровых телекоммуникаций в этом регионе было создание автором этой диссертации в 1999 году наземного цифрового канала на трассе Волгоград — Ростов-на-Дону с использованием существующей радиорелейной инфраструктуры ОАО «Ростелеком» в рамках совместной Программы Правительства РФ и Фонда Сороса по созданию Центров Интернет в классических университетах России.
Однако, в силу отсутствия внутригородской научно-образовательной телекоммуникационной инфраструктуры, остальные научные и образовательные учреждения Волгограда и Волжского, имеющие значительный научный и образовательный потенциал, по-прежнему продолжали обмениваться информацией и получать доступ в Интернет через коммутируемый доступ коммерческих провайдеров или арендуемые низкоскоростные каналы ТЧ. Другой особенностью г. Волгограда является его большая протяженность вдоль Волги почти на 100 км. В других регионах России существуют свои технические и географические особенности.
Для региональных БО естественное желание не зависеть от чьих-либо коммуникаций требует либо строительства собственных линий, либо применения беспроводных технологий. Однако часто приходится комбинировать эти подходы ввиду их дороговизны или невозможности аренды каналов традиционных коммерческих операторов связи, что требует знаний различных технологий передачи данных и возможностей их взаимодействия.
Все это определяет объект исследований, которым является региональная телекоммуникационная сеть передачи данных для учреждений образования и науки в рамках уникальных технических условий региона и финансовых ограничений на ее построение и эксплуатацию. Предметами исследования являются:
1. Телекоммуникационные системы на базе стандартного телекоммуникационного оборудования с использованием сетей SDH.
2. Телекоммуникационные системы с использованием оборудования Cisco серий 2600, 3600, 3700 в условиях интенсивного сетевого трафика.
3. Контроль и предотвращение перегрузок телекоммуникационных систем сети в условиях интенсивного трафика с учетом его свойств. Для достижения цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:
1. Проведение сравнительного анализа существующих методологий разработки телекоммуникационных сетей.
2. Разработка модели региональной телекоммуникационной сети передачи данных на основе технического задания, технических условий, бюджетных ограничений и специфических отношений БО и КО.
3. Исследование и разработка цифровых каналов передачи данных для интеграции региональной телекоммуникационной сети передачи данных в опорную федеральную сеть RBNet, передающую бюджетный трафик.
4. Разработка методов резервирования каналов BackBone региональной телекоммуникационной сети.
5. Исследование статистических характеристик сетевого трафика абонентов региональной телекоммуникационной сети передачи данных для выбора его адекватной модели.
6. Разработка концепции адаптивной системы мониторинга региональной телекоммуникационной сети передачи данных.
7. Разработка методов оценки параметров маршрутизирующего телекоммуникационного оборудования для повышения стабильности работы телекоммуникационной сети передачи данных.
8. Создание программных комплексов оценки параметров телекоммуникационного оборудования Cisco серий 2600, 3600, 3700 и предупреждения перегрузок каналов связи в региональной телекоммуникационной сети передачи данных на основании статистических характеристик сетевого трафика.
9. Внедрение разработанных методик и средств в региональную телекоммуникационную сеть передачи данных.
Определенные выше задачи достижения цели диссертационной работы решаются использованием методов исследования, включающих системный анализ, эмпирическое исследование в виде измерений и эксперимента, теорию массового обслуживания, теорию фракталов и статистических расчетов.
Содержание работы по главам отражает методологический подход автора к проектированию и реализации телекоммуникационных систем для БО.
Первая глава посвящена обзору отечественных и зарубежных работ по вопросам исследования и реализации различных телекоммуникационных систем и подходов к разработке телекоммуникационных сетей передачи данных. Источники по данному вопросу можно условно разделить на две группы.
Первая группа, включающая в основном книги, посвящена практическому рассмотрению различных сетевых технологий. В этой группе источников подробно освещаются достоинства и недостатки отдельных сетевых технологий, имеются рекомендации по их типичному применению. Однако автору неизвестна литература, в которой бы подробно рассматривались вопросы взаимодействия различных сетевых технологий с достаточной степенью их детализации. А это зачастую предопределяет реализуемость телекоммуникационного проекта.
Вторая группа включает статьи в периодических изданиях и материалы конференций. Основной упор в этих статьях делается на теоретический аспект проблемы. В результате создается модель телекоммуникационной системы, выводятся определенные соотношения и строятся графические зависимости. Однако достаточно редко результатом таких работ являются практические «инструменты» для сетевого инженера, позволяющие производить оценки параметров телекоммуникационной системы и на их основе быстро принимать решения. Кроме того, исследователи зачастую моделируют не реальные телекоммуникационные устройства, на которых в основном и строятся сети передачи данных, а их функциональные аналоги. Например, исследования маршрутизаторов в открытых научных публикациях посвящены лишь их программным реализациям на базе различных компьютерных операционных систем.
Необходимо отметить, что практически отсутствуют работы, в которых приводилась бы детальная методология процесса проектирования сети передачи данных от начала и до конца, начиная с формулировки требований к сети и заканчивая сдачей сети в промышленную эксплуатацию. И чтобы овладеть искусством проектирования, необходимо изучить большое количество литературы с разными подходами и стилями изложения, в которых отражаются отдельные составляющие процесса разработки, что, конечно же, полезно, но требует значительного времени.
Резюмируя сказанное, автор диссертации считает необходимым создание работ, посвященных подробной методологии проектирования сетей передачи данных, практическому рассмотрению возможностей взаимодействия телекоммуникационного оборудования различных производителей, четкие рекомендации по практическому применению результатов теоретических исследований для создания телекоммуникационных систем и разработки «инструментов» технической поддержки телекоммуникационных сетей БО.
Принципиальной особенностью построения телекоммуникационных сетей для БО является финансовые ограничения. Это требует исследования и применения оригинальных научно-технических решений, позволяющих создавать надежные телекоммуникационные системы при минимальных затратах как в процессе инсталляции, так и в процессе эксплуатации.
В частности, такими решениями являются взаимодействия телекоммуникационного оборудования различных производителей с использованием линейной инфраструктуры КО, разработка методов резервирования каналов телекоммуникационных сетей и способов снижения загрузки телекоммуникационных систем, что позволяет использовать относительно дешевое активное оборудование, создание систем мониторинга и автоматического предотвращения перегрузок телекоммуникационного оборудования, позволяющих снизить количество и уровень подготовки технического персонала, а также разработка методик и программных систем оценки параметров телекоммуникационных систем, облегчающих принятие решений службой технической поддержки.
Вторая глава представляет разработку модели региональной телекоммуникационной сети передачи данных как объекта исследований и отражает подход автора к проектированию телекоммуникационных сетей.
В данной главе рассматривается роль моделирования в исследовании телекоммуникационных систем и предложена концептуальная модель региональной телекоммуникационной сети, определяющая ее состав и структуру, свойства ее элементов и связей между ними, существенных для цели моделирования, определенной в данной главе. В частности, определены параметры и требования к региональной телекоммуникационной сети БО, а также уникальные технические условия региона и ресурсы в рамках которых необходимо решить научно-техническую проблему исследования и разработки телекоммуникационных систем сети БО. Проведено обоснование структуры и топологии сети, выбора сетевых протоколов, схемы адресации, подробно освящены технология построения внешних магистральных каналов связи и Backbone сети, способы реализации отказоустойчивости, сетевого управления, а также прогнозирование работы применяемых типовых телекоммуникационных устройств и развития региональной научно-образовательной сети в условиях роста сетевого трафика.
В данной главе диссертации получена формула для вычисления средней общей задержки для телекоммуникационной системы и оценки отношения средних задержек двух одноканальных телекоммуникационных систем с учетом самоподобия трафика. Исследование полученного в данной главе отношения задержек одноканальных телекоммуникационных систем с различными параметрами производилось в широком диапазоне их изменения и позволяет сделать важные выводы, имеющие практическое значение при разработке телекоммуникационных систем.
Фактически рассмотрено изменение задержки одной и той же одноканальной телекоммуникационной сети передачи данных при изменении ее параметров, таких как полоса пропускания и степень самоподобия трафика, что на практике часто имеет место в силу финансовых и технических причин.
Показано, во-первых, что при наличии эффекта самоподобия в телекоммуникационной системе с ограниченной полосой пропускания возможно достижение меньшей задержки при определенных значениях коэффициента использования.
Во-вторых, получено значение коэффициента использования, при котором задержка остается прежней при изменении параметров канала и сетевого трафика.
В-третьих, оценены области значений коэффициента использования, при которых достигается меньшая задержка на «зажатом» канале (с дефицитом полосы пропускания) и показана связь данного явления со степенью самоподобия сетевого трафика.
На основании полученных результатов можно констатировать возможность примерного сохранения сетевой задержки при изменении пропускных способностей каналов в телекоммуникационных сетях с самоподобным трафиком.
Третья глава охватывает необходимые исследования телекоммуникационных систем региональной телекоммуникационной сети БО, выполненных автором для достижения поставленной цели диссертационной работы.
Разработаны схемы построения цифровых каналов передачи данных на основе сетей SDH. В работе впервые реализована прямая стыковка отечественного оборудования ОВГ-25 с оборудованием компании Cisco Systems. Учитывая массовость оборудования ОВГ-25 и SDH-оборудования компании Alcatel в российских транспортных сетях, рекомендации автора диссертации по их применению в совокупности с зарубежным оборудованием компаний Cisco Systems и RAD Data Communications могут быть использованы для создания корпоративных цифровых каналов передачи данных и доступа в Internet в условиях невозможности строительства собственных кабельных коммуникаций и применения беспроводных технологий.
Произведено экспериментальное исследование взаимодействия оборудования компании Cisco с мультиплексором OGM-30E на длине 30 м интерфейсного кабеля V.35 через интерфейсные платы OD-121. Исследование показало возможность безошибочного взаимодействия данных устройств и может быть применимо в случае установки устройств в удаленных друг от друга аппаратных стойках в пределах линейно-аппаратного зала. Использование OGM-30E в телекоммуникационных системах сетей передачи данных позволяет создавать сети различного назначения на единой аппаратной платформе и гибко строить их топологию, что позволяет экономить финансовые средства на дополнительном оборудовании и прокладке линий связи.
В этой главе разработан алгоритм резервирования каналов передачи данных и маршрутных путей для случая линейного типа ядра телекоммуникационной сети. В комбинации с двойным подключением ядра к магистральным междугородным каналам он обеспечивает резервирование на различных уровнях модели OSI. Использование разработанного алгоритма при эксплуатации региональной научно-образовательной сети передачи данных позволяет резко сократить число ее простоев.
Предложен оригинальный способ снижения загрузки CPU и экономии оперативной памяти маршрутизаторов Cisco в сетях с интенсивным трафиком за счет использования рекурсивных стандартных маршрутов, направленных на серийные интерфейсы других маршрутизаторов Backbone сети.
Произведена оценка объема памяти ввода/вывода для маршрутизаторов Cisco Systems с использованием полученной в диссертации формулой, учитывающая самоподобную специфику трафика и потерю пакетов на их интерфейсах, имеющей место в телекоммуникационных сетях в высокой степенью загрузки каналов связи. Показано, что фирменная методика компании.
Cisco Systems по расчету памяти маршрутизаторов серий 2600, 3600 и 3700 не учитывает специфику трафика и может давать значения, неадекватные реальной сетевой ситуации, и, следовательно, требующие уточнения.
Применение полученных результатов позволило стабилизировать работу маршрутизаторов телекоммуникационной системы ядра сети и повысить отказоустойчивость региональной сети передачи данных образования и науки, сэкономив значительные средства на апгрейд ее телекоммуникационной инфраструктуры.
Предложенная методика оценки необходимой памяти ввода/вывода может быть применена для любого управляемого телекоммуникационного оборудования с входящим самоподобным трафиком, поскольку в своих расчетах не используются детали внутренней архитектуры этих устройств.
Для оперативной оценки размера памяти ввода/вывода телекоммуникационных устройств на основании свойств сетевого трафика, в частности, степени самоподобия, потери пакетов и вариации трафика по экспериментальному массиву данных, получаемому с помощью широко используемой программы MRTG, разработана компьютерная программа.
Ввиду важности адекватной оценки степени самоподобия (параметра Херста) трафика в диссертации был разработан программный комплекс сравнительной оценки параметра Херста различными методами. Адекватная оценка этого параметра дает возможность правильно определить память ввода/вывода интерфейса телекоммуникационных систем и необходимую пропускную способность различных потоков трафика. В ходе выполнения данной работы был проведен анализ методов оценки параметра Херста и выбраны три из них: метод изменения дисперсии, R/S-метод и периодограммного анализа. В качестве экспериментальных данных были взяты файлы журнала программы MRTG, снятые с телекоммуникационного оборудования ВолГУ. Для обработки экспериментальных данных был разработан программный комплекс сравнительной оценки параметра Херста. Программный комплекс на основе входных данных рассчитывает параметр
Херста и строит графики тремя выбранными методами. Программа выводит анализируемые трассы трафика, и показывает три наиболее подходящих распределения, которые могут пригодиться в дальнейших оценках. Все полученные результаты сохраняются в html-документ.
В результате исследований на различных выборках трафика было показано различное качество оценки параметра Херста. Программный комплекс указывает наиболее подходящий метод для каждой конкретной выборки эмпирических данных. Это дает основание рекомендовать определенные методы оценки для конкретных выборок данных, получаемых с помощью программы MRTG. Несмотря на то, что объектом исследования являются самоподобные процессы в телекоммуникационных системах, практическая значимость данного программного комплекса также заключается в том, что полученные результаты можно применять в других областях знаний, где имеют место самоподобные процессы.
Четвертая глава посвящена разработке концептуальной модели и алгоритма работы адаптивной телекоммуникационной системы, обеспечивающей своевременное предупреждение и предотвращение перегрузок, возникающих в сетях передачи данных в условиях интенсивного сетевого трафика.
Необходимость такой адаптивной системы для БО состоит в том, что автоматически самоорганизующаяся работа системы позволяет снизить расходы на техническую поддержку, что для БО актуально, а также привлекать для эксплуатации телекоммуникационной сети минимум технического персонала, а в ряде случаев вообще обойтись без него. Научной и практической новизной созданной системы является заложенная в ней концепция автоматической реконфигурации интерфейсов телекоммуникационного оборудования на основании анализа сетевого трафика на канальном уровне, что позволяет применять данный метод на «слабых» моделях телекоммуникационных устройств, где используется диспетчеризация обслуживания FIFO. Кроме того, ввиду использования данных трафика канального уровня, система не зависит от применяемых протоколов сетевого и транспортного уровней модели OSI, что позволяет использовать данную систему в сетях с различными стеками протоколов. Разработанная система предотвращения перегрузок является единственным на сегодняшний день средством поддержания стабильности работы телекоммуникационной сети в случае применения транспортного протокола UDP, в котором отсутствуют механизм реакции на перегрузки в сети. Кроме того, в отличие от механизма предотвращения перегрузок протокола TCP, реагирующего на уже случившуюся перегрузку, разработанная система, напротив, предупреждает ее, позволяя избежать резкого изменения сетевой задержки.
Оригинальность системы состоит также в том, что на сегодняшний день отсутствуют средства мониторинга сетей, учитывающих самоподобные свойства трафика и адаптивно подстраивающих параметры канала связи под текущую сетевую ситуацию.
Практическая значимость заключается в том, что данный результат может быть использован как средство предотвращения перегрузок, так и в качестве составной части программных комплексов для мониторинга трафика с целью его исследования и повышения качества обслуживания.
Разработанный алгоритм положен в основу программного комплекса для предотвращения перегрузок активного сетевого оборудования. Работа созданного программного комплекса основана на мониторинге канала передачи данных, оценки основных статистических характеристик и степени самоподобия трафика, проходящего через этот канал и определение канальных ресурсов, необходимых для поддержания его работоспособности.
В основу расчета необходимой полосы пропускания положены две модели (Norros, M/Pareto) и при запуске программного комплекса необходимо выбрать одну из них, а также метод оценки параметра Херста. На основании рассчитанной полосы пропускания программный комплекс в случае наступающей перегрузки интерфейса автоматически изменяет конфигурацию последнего. При уменьшении нагрузки на интерфейс программный комплекс снова производит оценку параметров и соответственно меняет его конфигурацию под текущее состояние сетевого трафика. При этом на экране отображается трасса трафика, оценка параметра Херста и необходимая полоса пропускания канала передачи данных в данный момент времени.
Эксплуатация разработанного программного комплекса на маршрутизаторах региональной научно-образовательной сети показала его работоспособность и эффективность при предупреждении перегрузок каналов передачи данных и поддержания стабильной работы телекоммуникационного оборудования научно-образовательной сети. Показана применимость данного программного комплекса для управления маршрутизаторами Cisco Systems в условиях интенсивного сетевого трафика.
Заключение
данной работы позволяет оценить ее место в числе работ, посвященных исследованию, разработке и внедрению адаптивных телекоммуникационных систем в регионах России. Результатом деятельности автора явилось поэтапное создание успешно функционирующей сети передачи данных науки и образования в Волгоградском регионе. Практика эксплуатации сети подтвердила жизнеспособность разработанной методологии проектирования, позволяющей осуществлять создание подобных телекоммуникационных сетей в рамках жестких технических условий и бюджетных ограничений. Созданная телекоммуникационная система является управляемой, отказоустойчивой и масштабируемой, что позволяет применять данный подход в различных регионах страны для создания подобных сетей.
Список литературы
содержит 121 наименование. По теме диссертации опубликовано 14 работ [95, 97, 99, 101, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 112, 117, 118, 121].
В приложениях приведены состав технических средств ядра региональной научно-образовательной сети, графики и акты внедрения диссертационных материалов.
Научную новизну данной работы определяют следующие результаты:
Впервые на основании полученной в диссертации формулы для расчета средней задержки пакетов в телекоммуникационной сети установлено, что при наличии эффекта самоподобия трафика в телекоммуникационной системе с дефицитом полосы пропускания время задержки снижается при определенных значениях коэффициента использования интерфейсов. Обобщена формула Клейнрока отношения задержек одноканальных телекоммуникационных систем для случая самоподобного трафика, в результате чего удалось определить области значений коэффициента использования, при которых достигается снижение задержки на «зажатом» канале и показана связь данного явления со степенью самоподобия сетевого трафика.
Предложены методика расчета оперативной памяти ввода/вывода и оригинальные способы снижения загрузки центрального процессора и экономии оперативной памяти телекоммуникационных систем Cisco Systems серий 2600, 3600, 3700 в условиях самоподобного сетевого трафика и обоснована необходимость уточнения фирменной методики Cisco Systems для расчета памяти этих систем.
Разработаны оригинальные структурная схема и алгоритм работы адаптивной телекоммуникационной системы, обеспечивающей контроль и предотвращение перегрузок сети, построенной с использованием телекоммуникационных систем компании Cisco Systems серий 2600, 3600 и 3700, использующей анализ и обработку текущих параметров сетевого трафика.
Практическая значимость данной работы определяется: Созданием системы мониторинга телекоммуникационных систем сети регионального масштаба, которая обеспечивает автоматическую адаптивную реакцию на наступающие перегрузки интерфейсов телекоммуникационных систем ядра сети и не зависит от типа используемых протоколов сетевого и транспортного уровней модели OSI.
Экономией финансовых средств на аппаратную модернизацию телекоммуникационных систем региональной сети передачи данных, исключение необходимости приобретения коммерческих систем мониторинга и повышение оперативности службы технической поддержки сети при уменьшении ее численности и квалификации. Повышением стабильности работы ядра региональной телекоммуникационной сети образования и науки за счет снижения процента загрузки центрального процессора и оперативной памяти телекоммуникационных систем на базе оборудования Cisco серий 2600, 3600 и 3700 и разработанного способа резервирования каналов связи Созданием цифровых каналов передачи данных на базе телекоммуникационных систем «Морион», RAD и Cisco с использованием инфраструктуры сетей SDH, что позволяет создавать отказоустойчивые телекоммуникационные сети передачи данных различного уровня на базе инфраструктуры первичных операторов связи. Разработкой программного комплекса оценки объема памяти ввода/вывода телекоммуникационных систем компании Cisco Systems серий 2600, 3600 и 3700 исходя из текущих характеристик трафика в каналах передачи данных.
Разработкой программного комплекса сравнительной оценки степени самоподобия сетевого трафика, необходимой для выбора адекватного метода ее оценки на конкретных массивах эмпирических данных, полученных с телекоммуникационного оборудования. Использованием материалов диссертации в учебном процессе на факультете информационных технологий и телекоммуникаций (ФИТТ) Волгоградского государственного университета.
На защиту выносятся:
Схема построения цифровых каналов передачи данных на основе оборудования Cisco и «Морион» с использованием сетей SDH.
2. Алгоритм резервирования каналов передачи данных и маршрутных путей для случая линейного типа ядра телекоммуникационной сети.
3. Способ снижения загрузки CPU и экономии оперативной памяти маршрутизаторов Cisco в сетях с интенсивным трафиком.
4. Оценка объема памяти ввода/вывода для маршрутизаторов Cisco, учитывающая самоподобие трафика.
5. Оценка средней задержки телекоммуникационной сети и изменения задержки одноканальной телекоммуникационной системы при изменении ее параметров в условиях самоподобного трафика.
6. Программный комплекс для оценки размера памяти ввода/вывода телекоммуникационных устройств на основании свойств сетевого трафика.
7. Программный комплекс сравнительной оценки самоподобия трафика и аппроксимации распределения сетевого трафика в телекоммуникационных системах.
8. Концептуальная модель и алгоритм работы адаптивной телекоммуникационной системы с предупреждением и предотвращением перегрузок, возникающих в сетях передачи данных в условиях интенсивного сетевого трафика.
9. Программный комплекс адаптивной телекоммуникационной системы с предупреждением и предотвращением перегрузок.
Учитывая широкое распространение телекоммуникационного оборудования Cisco Systems, RAD, «Морион» и инфраструктуры SDH, полученные результаты могут быть использованы любой организацией, осуществляющей создание отказоустойчивой телекоммуникационной инфраструктуры передачи данных и ее последующую эксплуатацию. Внедрение и успешная эксплуатация созданной научно-образовательной телекоммуникационной сети позволяют использовать результаты данной работы при создании региональных сегментов телекоммуникационных сетей передачи данных.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору А. И. Тяжеву, декану факультета информационных технологий и телекоммуникаций ВолГУ к.ф.-м.н, доценту И. В. Шаркевичу, направлявших изыскания автора «на путь истинный». Неоценима помощь представителей первичных операторов связи региона — руководства ГТС Волгоградского филиала «Южной телекоммуникационной компании» в лице В. А. Окунева, ТУ-5 ОАО «Ростелеком» в лице главного инженера В. П. Зуева и начальника дистанции информатизации и связи Волгоградского отделения Приволжской железной дороги В. П. Егорова, немало поспособствовавших претворению технических планов автора в жизнь. При этом постоянно ощущалась поддержка директора Центра Интернет Сумарокова С. И. и соратников по технической службе Центра Интернет ВолГУ, несущих «боевое» дежурство по поддержке бесперебойной работы региональной научно-образовательной сети и с пониманием относящихся к моим экспериментам над ней.
Результаты работы могут быть использованы на практике для проектирования и грамотной эксплуатации интенсивно используемых телекоммуникационных сетей.
В Главе 4 разработан алгоритм для своевременного предупреждения и предотвращения перегрузок, возникающих в сетях передачи данных в условиях интенсивного сетевого трафика с учетом его самоподобной природы.
Разработанный алгоритм лег в основу программного комплекса для предотвращения перегрузок активного сетевого оборудования, что являлось целью данной работы. Работа созданного программного комплекса основана на мониторинге канала передачи данных, расчета основных статистических характеристик трафика, проходящего через этот канал и определение канальных ресурсов, необходимых для поддержания работоспособности сети. На основании рассчитанной полосы пропускания программный комплекс в случае наступающей перегрузки интерфейса автоматически изменяет конфигурацию последнего. При уменьшении нагрузки на интерфейс программный комплекс возвращает его первоначальную конфигурацию.
Эксплуатация разработанного программного комплекса на маршрутизаторах Cisco Systems региональной научно-образовательной сети показало его работоспособность и эффективность при предупреждении перегрузок каналов передачи данных и поддержания стабильной работы телекоммуникационного оборудования научно-образовательной сети.
Заключение
.
Сформулируем основные результаты диссертационной работы и возможные применения полученных результатов.
1. Разработаны схемы построения цифровых каналов передачи данных на основе сетей SDH. В работе впервые реализована прямая стыковка отечественного оборудования ОВГ-25 с оборудованием компании Cisco Systems. Учитывая массовость оборудования ОВГ-25 и SDH-оборудования Alcatel в российских транспортных телефонных сетях, опыт автора по их применению совместно с зарубежным оборудованием компаний Cisco Systems и RAD Data Communications может пригодиться любой организации для создания корпоративных цифровых каналов передачи данных и доступа в Internet в условиях невозможности строительства собственных кабельных коммуникаций и применения беспроводных технологий.
Произведено экспериментальное исследование взаимодействия оборудования компании Cisco с мультиплексором OGM-30E на длине 30 м интерфейсного кабеля V.35 через интерфейсные платы OD-121. Исследование показало возможность безошибочного взаимодействия данных устройств и может быть применимо в случае установки устройств в удаленных друг от друга аппаратных стойках в пределах линейно-аппаратного зала.
Использование OGM-30E в телекоммуникационных системах сетей передачи данных позволяет создавать сети различного назначения на единой аппаратной платформе и гибко строить их топологию, что позволяет экономить финансовые средства на дополнительном оборудовании и прокладке линий связи.
•Учитывая широкое распространение оборудования Alcatel и компании «Морион» в российских транспортных цифровых сетях, опыт автора может быть полезен любой организации, планирующей построение цифровых каналов передачи данных на базе телекоммуникационной инфраструктуры первичных операторов связи.
2. Разработан алгоритм резервирования каналов передачи данных и маршрутных путей для случая линейного типа ядра телекоммуникационной сети. В комбинации с двойным подключением ядра к магистральным междугородним каналам он дает в контексте местных технических условий г. Волгограда резервирование на различных уровнях модели OSI.
Практическое использование разработанного алгоритма при эксплуатации региональной научно-образовательной сети передачи данных позволило резко сократить число ее простоев.
3. Предложен практический способ снижения загрузки CPU и экономии оперативной памяти маршрутизаторов Cisco в сетях с интенсивным трафиком за счет использования рекурсивных стандартных маршрутов, направленных на серийные интерфейсы других маршрутизаторов BackBone сети.
4. Разработана методика оценки объема памяти ввода/вывода для маршрутизаторов Cisco, учитывающий самоподобную специфику трафика на их интерфейсах, имеющей место в телекоммуникационных сетях в высокой степенью загрузки каналов связи.
Показано, что фирменная методика компании Cisco Systems по расчету памяти маршрутизаторов серий 2600, 3600 и 3700 не учитывает специфику трафика и может давать значения, неадекватные реальной сетевой ситуации, и, следовательно, требующие уточнения.
Применение полученных результатов позволило стабилизировать работу маршрутизаторов телекоммуникационной системы ядра сети и повысить отказоустойчивость региональной сети передачи данных образования и науки, сэкономив значительные средства на апгрейд ее телекоммуникационной инфраструктуры.
Учитывая широкое развитие телекоммуникационной инфраструктуры и массовость оборудования Cisco S ystems в отечественных и зарубежных сетях передачи данных, результаты работы автора могут быть использованы на практике для проектирования и грамотной эксплуатации интенсивно используемых телекоммуникационных сетей.
Необходимо отметить, что предложенная методика оценки необходимой памяти ввода/вывода может быть также применена для любого управляемого телекоммуникационного оборудования с входящим самоподобным трафиком, поскольку в своих расчетах мы не использовали детали внутренней архитектуры этих устройств.
5. Разработана компьютерная программа для оценки размера буферной памяти телекоммуникационных устройств на основании свойств сетевого трафика, в частности, степени самоподобия, потери пакетов и вариации трафика по экспериментальному массиву данных, получаемому с помощью широко используемой программы MRTG.
6. Разработан программный комплекс сравнительной оценки степени самоподобия трафика телекоммуникационных систем получаемого с помощью программы мониторинга загрузки каналов MRTG. Оценка степени самоподобия дает возможность рассчитать буферную память интерфейса телекоммуникационных систем, а так же необходимую пропускную способность различных потоков трафика.
В ходе выполнения данной работы был проведен анализ ряда методов расчета параметра Херста и в виду простоты реализации выбраны три из них. В качестве экспериментальных данных были взяты файлы журнала программы MRTG «снятые» с телекоммуникационного оборудования ВолГУ. Для обработки экспериментальных данных был разработан программный комплекс сравнительной оценки параметра Херста.
Программный комплекс на основе входных данных рассчитывает параметр Херста и строит графики тремя разными методами. Программа выводит анализируемые трассы трафика, и показывает три наиболее подходящих распределения, которые могут пригодиться в дальнейших оценках. Все полученные результаты сохраняются в html-документ.
В результате исследований на различных выборках трафика было показано различное качество оценки параметра Херста. Это дает основание рекомендовать определенные методы оценки для конкретных выборок данных, получаемых с помощью программы MRTG.
Учитывая широкое распространение программы MRTG для мониторинга телекоммуникационных систем, данный программный комплекс может быть использован для оценки степени самоподобия трафиков телекоммуникационных систем.
Несмотря на то, что объектом исследования являются самоподобные процессы в телекоммуникациях, практическая значимость данного программного комплекса так же заключается в том, что полученные результаты можно применять в других областях знаний, где имеют место самоподобные процессы.
7. На основании полученной в данной работе формулы общей средней задержки телекоммуникационной сети, учитывающей самоподобие трафика, эффект потери пакетов и вариации трафика, показана возможность примерного сохранения сетевой задержки в канале передачи данных при уменьшении его пропускной способности при определенных степенях самоподобия трафика и коэффициента использования.
Данный результат важен для оценки потери качества при реконфигурации интерфейсов в процессе работы разработанной адаптивной системы предотвращения перегрузок интерфейсов телекоммуникационных систем.
8. Разработана концептуальная модель и алгоритм адаптивной системы для своевременного предупреждения и предотвращения перегрузок, возникающих в сетях передачи данных в условиях интенсивного сетевого трафика.
Новизной системы является концепция автоматической реконфигурации интерфейсов телекоммуникационного оборудования на основании анализа сетевого трафика на канальном уровне, что позволяет применять данный метод на «слабых» моделях телекоммуникационных устройств, где используется диспетчеризация обслуживания FIFO. Кроме того, ввиду использования данных канального уровня, система не зависит от применяемых протоколов сетевого и транспортного уровней модели OSI, что позволяет использовать данную систему в сетях с различными стеками протоколов.
Необходимо отметить, что данная система предотвращения перегрузок является единственным на сегодняшний день средством поддержания стабильности работы телекоммуникационной сети в случае применения транспортного протокола UDP, в котором отсутствуют механизм реакции на перегрузки в сети. Кроме того, в отличие от механизма предотвращения перегрузок протокола TCP, реагирующего на уже случившуюся перегрузку, разработанная система, напротив, предупреждает ее, позволяя избежать резкого изменения сетевой задержки.
Новизна состоит также в том, что на сегодняшний день отсутствуют средства мониторинга сетей, учитывающих самоподобные свойства трафика и адаптивно подстраивающих параметры канала связи под текущую сетевую ситуацию.
Практическая значимость заключается в том, что данный результат может быть использован как средство предотвращения перегрузок, так и в качестве составной части программных комплексов для мониторинга трафика с целью его исследования и повышения качества обслуживания.
Важно также то, что автоматическая работа системы позволяет задействовать для эксплуатации телекоммуникационной сети минимум технического персонала, а в ряде случаев вообще обойтись без него, что позволяет экономить фонд заработной платы.
9. Разработанный алгоритм лег в основу программного комплекса для предотвращения перегрузок активного сетевого оборудования, что являлось целью данной работы. Работа созданного программного комплекса основана на мониторинге канала передачи данных, оценки основных статистических характеристик и степени самоподобия трафика, проходящего через этот канал и определение канальных ресурсов, необходимых для поддержания работоспособности сети. На основании рассчитанной полосы пропускания программный комплекс в случае наступающей перегрузки интерфейса автоматически изменяет конфигурацию последнего. При уменьшении нагрузки на интерфейс программный комплекс возвращает его первоначальную конфигурацию.
Эксплуатация разработанного программного комплекса на маршрутизаторах региональной научно-образовательной сети показала его работоспособность и эффективность при предупреждении перегрузок каналов передачи данных и поддержания стабильной работы телекоммуникационного оборудования научно-образовательной сети.
Показана применимость данного программного комплекса для управления маршрутизаторами Cisco Systems в условиях интенсивного сетевого трафика.