Методы повышения эффективности функционирования сетей передачи данных

Современные сети передачи данных (СПД) — это сложные и дорогостоящие информационно-технические комплексы, качество функционирования которых может самым существенным образом влиять на эффективность функционирования экономических, социальных и других систем, зависящих от них. Экономика нашей страны быстрыми темпами интегрируется в мировую, одной из основ которой являются информационные технологии. Для того чтобы российские предприятия смогли работать на уровне западных, они должны войти в общемировое информационное пространство.

Информационные технологии берут свое начало с момента появления первых вычислительных машин и к настоящему времени прошли четыре основных этапа своего развития. Это были этапы внедрения и широкой эксплуатации ЭВМ среднего и малого классов, персональных компьютеров. Четвертый этап — этап повсеместного использования сетевых технологий — западными странами практически пройден. В этих странах наступила эпоха Internet. Наша страна еще только подошла к серьезному использованию сетевых технологий. Проходят времена бездумного внедрения сетей на предприятиях и в организациях. Руководители и простые пользователи поняли все выгоды, которые предоставляет грамотно спроектированная и построенная сеть. Уже понятно, что организация, позволяющая строить у себя систему, не отвечающую современным и насущным требованиям, обречена на неуспех.

Низкое качество работы СПД ведет как к обесцениванию прямых затрат, вложенных в СПД, так и к увеличению косвенных, связанных с ухудшением информационного обеспечения других систем. Решений проблемы нехватки пропускной способности предложено множество. Приверженцы кардинальных подходов ратуют за полное обновление коммуникационной инфраструктуры СПД: переход на оптоволоконные линии, замену протоколов. Этот путь, однако, сопряжен не только со значительными затратами, но и с низкими темпами внедрения: как известно, процесс стандартизации новых технологий растягивается на несколько лет, немало времени уходит и на их реализацию в коммерческих продуктах. Специалисты, придерживающиеся более умеренных взглядов, не спешат обесценить сделанные ранее инвестиции. Они стремятся не радикально увеличить полосу пропускания, а повысить эффективность использования уже имеющихся ресурсов. В этом русле ведутся многочисленные разработки по совершенствованию алгоритмов маршрутизации, приданию коммутаторам более «интеллектуального облика», по реализации схем обработки трафика с приоритетами.

В связи с этим, основной целью данной работы является разработка методов повышения эффективности функционирования СПД.

Для достижения этой цели необходимо, по крайней мере, иметь возможность количественно оценивать эффективность и надежность функционирования СПД.

Однако, возможности повышения эффективности СПД в значительной мере уже предопределены ее топологией, поэтому вопросы повышения эффективности функционирования должны рассматриваться в комплексе с топологической структурой СПД и возможностями ее изменения. Это позволяет сформулировать научную задачу, какразработщкомплекса математических моделей, методов и алгоритмов оптимизации функционирования и проектирования СПД.

Основным назначением любой СПД является своевременная и надежная доставка информации ее потребителю. Поэтому в качестве основных количественных показателей эффективности в разработанных методах используются время и надежность доставки информации в пункт ее приема. 7.

Комплекс математических методов и алгоритмов, разработанный в ходе решения поставленной научной задачи, можно рассматривать как вариант решения трех групп взаимоувязанных вопросов:

— о методах дальнейшего сокращения времени доставки информации потребителю;

— о методах оптимизации системной и технической надежности для более сложных структур и условий функционирования СПД;

— о вопросах выбора и обоснования варианта рациональной структуры СПД и пропускных способностей ее элементов.

Методы и алгоритмы, позволяющие получать ответы на указанные вопросы и содержащие элементы новизны, определяют собой структуру данной работы и ее содержание.

Принятые сокращения и обозначения.

ГКМ — граф КМ;

КМ — кратчайший маршрут;

ЛП — линейное программирование;

ЛПР — лицо, принимаюш-ее решение;

ЛУ — линия уровня;

ЛС — линии связи;

МГТ — метод граничной точки;

МДО — метод двойной оптимизациимкз — межконцевая задержка;

МНП-1 — алгоритм № 1 метода направленного поискаМНП-2 — алгоритм № 2 МНПОЖИ — обыкновенные жордановы исключения;

ОВ — опорный вариант;

ОЗУ — оперативно запоминаюп1-ее устройствоОП — опорный планр. — раздел;

ТКС — телекоммуникационная системат.о. — таким образомУИ — узел-источникУП — узел-приемникУК — узел коммутации- - множество номеров элементовЛС = [хЗ)А — вектор-строка размера пх= вектор-столбец размерамхА = X — транспонированный векторл: = [хУ = X. — матрица тхп- - номер итерации (шага) — л:' = [хА)А — текупдая точка;

А^'А х, а — упорядоченное множество кортеж) точек (траектория точки х') — {цку} - кортеж элементов;

ТА1(к,], 1) — межконцевая задержка между узлами коммутации (к, 1) при данном маршруте {к,.],.1) — ((г, у)) — кортеж пар элементов (дуг) — - область допустимых решений (ОДР);

Вх с О л — область допустимых граничных решенийдг{х)дГ (х) Эх, значение частной производной в точке х ;

V — квантор общности;

3 — квантор существованияа — знак включенияе — знак принадлежностиП — пересечение множестви — объединение множеств- - вычитание множеств- 0 — пустое множествол — логическое умножение;

V — логическое сложение;

— знак эквивалентности;

— знак следованияа, Ь) — скалярное произведение векторов аиЬ.

Выводы по разделу 4.

1. Методика проектирования альтернативного варианта СПД, основанная на алгоритмах фиксированной маршрутизации, позволяет учесть ряд основных требований, предъявляемых к СПД и оценить ожидаемые межконцевые задержки пакетов.

2. Сформулированы необходимые условия двусвязности сети СПД и методы построения запасных КМ. Двусвязность практически не увеличивает надежность СПД, однако, повышает ее живучесть и возможности при альтернативной (динамической) маршрутизации.

3. Предложенная методика учета влияния трафика на основные показатели функционирования СПД позволяет количественно оценить степень этого влияния и дать рекомендации по управлению информационными потоками.

4. При обосновании пропускных способностей ЛС и УК СПД особая роль принадлежит коэффициенту использования. Обратная ему величина указывает во сколько раз пропускная способность должна превысить интенсивность трафика для обеспечения задержки не более заданного уровня.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проектирование СПД является сложной, многокритериальной проблемой, удовлетворительное решение которой может быть получено только в тесном сочетании формальных и неформальных подходов и методов. на основе общей методологии системного анализа. В связи с этим, в данном исследовании разработан комплекс математических моделей, методов их анализа и рассмотрен ряд подходов, которые могут быть использованы, для решения различных вопросов, связанных с функционированием СПД и ее проектированием. К основным из полученных результатов, составляющих комплекс моделей и методов, являющимися новыми или содержащими элемент новизны, относятся:

— методы и алгоритмы направленного поиска КМ (МНП-1, МНП-2), позволяющие строить графы КМ и удобные для использования при проектировании СПД;

— метод и алгоритм эстафетного поиска, позволяющий решать задачу фиксированной маршрутизации в реальном масштабе времени и удобный для использования в ходе функционирования СПД;

— метод и алгоритм оптимизации системной надежности СПД, основанный на использовании разработанных алгоритмов маршрутизации;

— метод оптимизации технической надежности элементов системы при многих ограничивающих факторах и разнотипных резервирующих элементах {метод двойной оптимизации);

— метод граничной точки и алгоритм, позволяющий эффективно решать класс задач выпуклого программирования при линейных ограничениях на переменные;

— методика построения топологической структуры СПД на начальных этапах ее проектирования, основанная на разработанном комплексе математических методов и алгоритмов.

Комплекс математических моделей и методов, предложенный в работе, может быть использован в научных и учебных организациях, связанных с обоснованием способов повышения эффективности функционирования и проектированием различных информационных сетей, а также в других областях научных исследований.