 |
Рост объема и изменение структуры трафика в глобальных ТКС
|
|
|
|
Timofeev A.V., Syrtzev A.V.
Models and Methods for Data Flows Routing in Dynamical Telecommunication Networks
Peculiarities of global telecommunication systems as complex control plants with fixed or changing dynamics on the base of their graph and matrix models are analyzed. Criterion for communicability (routing ability) and methods of dynamical, adaptive and neural routing of data flows in multi-agent telecommunication systems of new generation is shown. Software and module library for imitation modelling of telecommunication networks with adaptive routing of data flows are described.
The book will be interesting for specialists, post-graduate and graduate students, who would like to obtain knowledge about modern problems and methods for data flows control in high-productive distributed teleinformational networks of different size and destination, working in changing or uncertain conditions.
Содержание
1. Эволюция глобальных ТКС и принципов управления потоками данных. 4
1.1. Рост объема и изменение структуры трафика в глобальных ТКС.. 4
1.2. Современные тенденции развития глобальных ТКС.. 8
1.3. Pазвитие IP-технологий маршрутизации и передачи потоков данных. 10
1.4. Архитектура глобальных ТКС и роль сетевой системы управления. 12
1.5. Принципы построения адаптивных и интеллектуальных систем сетевого управления. 15
1.6. Анализ ТКС как информационного объекта управления. 17
1.6.1. Графовые модели ТКС.. 17
1.6.2. Матричные модели ТКС и их взаимосвязь. 22
2. Методы статической маршрутизации потоков данных в мульти-агентных ТКС 36
2.1. Задачи маршрутизации потоков данных и их роль в сетевом управлении ТКС 37
2.2. Постановка задачи оптимальной статической маршрутизации. 39
2.3. Модели и алгоритмы статической маршрутизации. 41
2.3.1. Дерево кратчайших маршрутов для ТКС с односторонними связями. 41
2.3.2. Каталог узлов и оптимальных маршрутов для статических ТКС.. 42
2.3.3. Метод статической лавинной маршрутизации. 44
2.3.4. Методы вероятностной маршрутизации. 45
2.3.5. Метод оптимальной маршрутизации, основанный на построении остова минимальной стоимости графовой модели ТКС.. 46
|
|
|
2.4. Групповая маршрутизация в статических ТКС.. 48
2.6. Оптимальная статическая маршрутизация в глобальных мульти-агентных ТКС 50
3. Методы и средства динамической маршрутизации в глобальных ТКС.. 54
3.1. Постановка задачи динамической маршрутизации. 55
3.2. Основные алгоритмы динамической маршрутизации. 55
3.2.1. Алгоритм Беллмана-Форда и его модификации. 55
3.2.2. Алгоритм Дейкстры.. 57
3.3. Критерии существования оптимальных маршрутов передачи данных в динамических ТКС на основе простых карт и таблиц маршрутизации. 59
3.3.1. Критерий маршрутизируемости. 59
3.3.2. Оптимальные таблицы и карты маршрутизации и вычисление оптимальных маршрутов. 62
3.4. RL-подход к динамической Q-маршрутизации. 64
3.5. Много-адресная маршрутизация в динамических ТКС.. 67
3.6. Многопотоковая маршрутизация в динамических ТКС.. 70
3.7. Алгоритм 2-потоковой динамической маршрутизации. 73
4. Модели и методы адаптивной и нейросетевой маршрутизации в мульти-агентных ТКС.. 75
4.1. Особенности адаптивной маршрутизации в ТКС с неопределённой днамикой 75
4.2. Принципы и модели централизованной, децентрализованной и мульти-агентной маршрутизации. 77
4.3. Особенности организации распределительных таблиц и карт для адаптивной маршрутизации. 80
4.4. Критерии корректности распределяющих карт маршрутизации. 82
4.5. Расширение карт маршрутизации и интенсивность потоков данных. 84
4.6. Централизованная и распределённая маршрутизации в мульти-агентных ТКС 91
4.7. Нейросетевая маршрутизация в мульти-агентных ТКС.. 95
Список литературы.. 100
Сведения об авторах. 105
1. Эволюция глобальных ТКС и принципов управления потоками данных
Глобальные ТКС (Wide Area Networks, WAN) обычно охватывают большие географические области (страну, континент и т.п.) и требуют пересечения государственных границ общедоступными узлами и каналами связи. Магистральные сети этих ТКС включают в себя определенное количество взаимосвязанных коммутирующих или маршрутизирующих узлов, т.е. маршрутизаторов.
|
|
|
Сообщения, передаваемые через оборудование и интерфейс пользователей проходят по определённым маршрутам через внутренние узлы глобальной ТКС к адресату-получателю данных. Все эти узлы, включая и граничные узлы, не затрагивают информационное содержание (семантику) передаваемых данных. Их роль заключается только в том, чтобы обеспечить необходимую коммутацию или маршрутизацию, гарантирующую передачу (транспортировку) потока данных от узла к узлу глобальной ТКС, пока он не достигнет адресата.
Таким образом, коммуникационная роль ТКС отделена от информационной роли узловых компьютеров (хостов, серверов и т.п.) компьютерной сети (КС), предназначенных для предоставления информационных ресурсов и исполнения программ пользователя, называемых приложениями. Благодаря такому разделению ролей структура ТКС и КС значительно упрощается.
Рост объема и изменение структуры трафика в глобальных ТКС
Главной задачей глобальной ТКС является управляемая передача сообщений в форме потока данных от одного узлового компьютера к другому подобно тому, как телефонные ТКС переносят речь говорящего (источника) к слушающему (приёмнику). В качестве узловых компьютеров в глобальных ТКС обычно используются специализированные коммуникационные компьютеры, называемые коммутаторами или маршрутизаторами [1–4].
Когда поток данных посылается от одного коммуникационного узла к другому через промежуточные узлы, он поступает на вход каждого промежуточного узла TKC и целиком хранится в нем до тех пор, пока не освободится требуемая маршрутом линия связи, по которой затем этот поток передается к следующему узлу. Этот принцип работы подсети называется “от точки к точке” (Point-to-Point) или “с промежуточным хранением” (Store-and-Forward).
С узлами глобальной TKC как распределённой транспортной подсети обычно связаны автономные информационные компьютеры (хосты, серверы и т.п.), являющиеся носителями информационных ресурсов и приложений и образующие глобальную компьютерную сеть (КС). Связь между компьютерами этой КС и ТКС осуществляется с помощью каналов связи (медный кабель, волоконная оптика, радиоканалы высокой частоты, спутники связи и т.п.).
|
|
|
На протяжении ряда десятилетий глобальные ТКС использовались в основном для обслуживания речевого трафика. Этот трафик сначала формировался в стационарных (фиксированных) локальных и глобальных телефонных ТКС, а затем распространился в мобильные ТКС различного масштаба, имеющих значительную географию охвата.
В течение последнего десятилетия речевой трафик возрастал на 5-7% в год. Поэтому он продолжает стимулировать быстрое развитие мировых фиксированных (стационарных) и мобильных ТКС, обеспечивающих телефонную связь на больших расстояниях.
В этот период трафик данных составлял лишь проценты от суммарного речевого трафика ТКС. Этот трафик начал формироваться и развиваться в системах электронной почты и локальных ТКС с относительно низкой скоростью передачи данных.
Однако появление всемирной сети Internet радикально изменило ситуацию в области трафика данных. Начиная примерно с 1995 года, удельный объем трафика данных стал неуклонно расти. Более того, с 2000-го года суммарный трафик данных в Internet стал удваиваться через каждые 4-5 месяцев. Столь значительное возрастание трафика данных определяется различными Internet-приложениями, в первую очередь www-приложениями.
Сегодня объемы трафика данных и связанного с ним трафика в Internet достигли объемов традиционного телефонного речевого трафика. При этом число пользователей глобальной сети Internet возрастает очень быстрыми темпами – более, чем на 50% в год. К этому нужно добавить, что трафик в крупномасштабных корпоративных ТКС также растет примерно на 50% в год.
На рис. 1.1.1 представлена сравнительная картина фактического и прогнозируемого роста глобального трафика речи и трафика данных за последнее десятилетие. Из представленных графиков следует, что, начиная с 2003 года, в глобальных ТКС будет преобладать трафик данных. Поэтому именно этот трафик является главным объектом изучения и управления в глобальных ТКС нового поколения [12].
|
|
|
Рис. 1.1.1. Эволюция глобального трафика речи и данных.
Описанные выше тенденции изменения структуры и объемов трафика оказывают значительное влияние на эволюцию глобальных ТКС и разработку новых поколений таких ТКС. Дело в том, что трафик данных (в том числе, трафик данных реального времени) менее чувствителен к задержкам, чем трафик речи, где предельно допустимое время задержки не должно превышать 250 мс.
Допустимые задержки при передаче информации у КС (вычислительные и информационные ресурсы) лежат в широком диапазоне – от нескольких секунд до сотен минут. Этот факт определяет возможность коммутации пакетов или ячеек как основного вида коммутации в корпоративных и глобальных ТКС передачи данных.
Лавинообразный рост трафика данных определяет фундаментальную тенденцию перехода от узкополосных ТКС с пропускной способностью до 2 Мбит/с к широкополосным ТКС с пропускной способностью порядка десятков и сотен Гбит/с. Анализ ожидаемых в ближайшие годы потоков данных свидетельствует о том, что пропускные способности мировых глобальных ТКС, охватывающих США и Европу, достигнут 5 Тбит/с, в то время как национальные глобальные ТКС (например, во Франции и Германии) будут составлять 1-2 Тбит/с.
Рост производительности каналов связи ТКС, связанный с переходом к волоконно-оптическим каналам, приводит к необходимости создания узлов с аналогичной производительностью (оптические и квантовые компьютеры и т.п.). Можно ожидать, что производительность узлов глобальных ТКС, достигающая сегодня 40 Гбит/с, возрастет к 2003 году до 2 Тбит/с.
Быстрое развитие сетевых технологий породило экспоненциальный рост числа телекоммуникационных служб. В последние годы основные услуги были связаны с речевым трафиком и голосовыми приложениями. Однако в ближайшем будущем будет возрастать удельный объем трафика данных и роль мультимедийных служб. Это приведет к все большей интеграции информационных и телекоммуникационных технологий.
Глобализация и другие современные тенденции развития ТКС привели не только к существенному пересмотру основных телекоммуникационных концепций, но и к значительным технологическим сдвигам. К числу важнейших тенденций и преобразований можно отнести следующие:
- от речевого трафика – к трафику данных и мультимедийному трафику;
- от специализированных ТКС к активно взаимодействующим глобальным ТКС нового поколения;
- от локальных специализированных услуг – к мультимедийным универсальным услугам и приложениям с гарантированным качеством в любое время и в любом месте.
На ускоренное развитие и совершенствование глобальных ТКС будут влиять новые потребности современного информационного общества (электронная коммерция, телемедицина, дистанционное обучение, ядерная физика, генная инженерия и т.п.). В результате этого для пользователей ТКС будут стираться грани между домом, где они живут, и учреждением, где они работают, между страной проживания и другими странами, между реальным присутствием (например, на лекции или на конференции) и виртуальным телеприсутствием и «живым» участием.
|
|
|
Таким образом, развитие и глобализация ТКС приведут к значительному улучшению условий жизни и работы людей в XXI веке. Согласно прогнозу компании British Telecom, к 2010 году около 40% учреждений будут преобразованы в «виртуальные учреждения», сотрудники которых смогут выполнять основную часть своей работы дома или в иных местах, не связанных непосредственно с конкретным местом работы.
|
|
|
