Якимчук Н. М. Методи боротьби з перевантаженнями телекомунікаційних мереж нових поколінь шляхом формування потоків різнорідного мережевого трафіку

Дисертаційна робота присвячена створенню методів та пристроїв формування потоків різнорідного мережного трафіку. Показано, що такий різнорідний трафік є самоподібним (фрактальним). Основною специфікою самоподібного трафіку є виникнення швидких спорадичних сплесків інтенсивності при середній порівняно низькій інтенсивності трафіку на протяжних інтервалах передачі даних. Це приводить до наростання черг у буферній пам'яті і, як наслідок, перевантажень комутаційних вузлів. Тому задача дослідження та розробки нових методів побудови пристроїв формування трафіку з адаптацією до змін параметрів та стану мережі є актуальною. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності функціонування телекомунікаційних мереж нових поколінь шляхом усунення перевантажень апаратно-програмними засобами адаптивного перетворення статистики вхідного трафіку. У дисертаційній роботі отримані наступні нові наукові результати. 1. Удосконалено модель управління параметрами інформаційних потоків у телекомунікаційних мережах. На відміну від існуючих, запропоновану модель побудовано на підґрунті теорії марківських процесів, що дозволяє аналізувати потоки самоподібного трафіку з не гаусівськими імовірнісними розподілами, зокрема, розподілами з важкими хвостами (long-tale distributions). 2. Вперше розроблено алгоритм визначення перевантажень за інформаційним критерієм. В якості критерію пропонуємо використати апроксимовану ентропію параметрів часових рядів. Була розрахована залежність ентропії розподілів від імовірності успішної передачі даних одного із мережних вузлів. Показано вплив ентропії розподілу на потрібний ресурс для обміну даними. 3. Удосконалено метод адаптивного формування потоків мережного трафіку з непрямим зворотним зв'язком. Метод відрізняється від раніше запропонованих тим, що має принципово розширений вектор керуючих дій, внаслідок чого виключається потреба у додатковому каналі зворотного зв'язку. 4. Вперше розроблено метод оптимізації параметрів та структури формувача мережного трафіку з контролем довжин інтервалів перевищення рівнів параметрів потоку та введенням додаткового модуля прогнозування необхідного розміру буфера відповідно до змін інтенсивності надходження вхідних пакетів. У першому розділі здійснено аналіз сучасного стану проблеми проектування, впровадження та застосування формувачів мережного трафіку, перспектив реалізації єдиного інформаційного простору у будь-якій мережі, контрольованій за допомогою системи формування мережного трафіку і т.д. Проаналізовано основні чинники виникнення перевантажень, за результатами аналізу сформульовано мету й задачі та досліджені механізми управління мережами, такі як управління мережними ресурсами за стандартами концепції управління TMN (Telecommunication Management Network). Досліджено математичні моделі мережного трафіку; особливу увагу приділено статистиці самоподібного трафіку з повільно убуваючими часовими та частотними залежностями й імовірнісними розподілами з "важкими хвостами". Другий розділ присвячений методам моніторингу та аналізу мережного обладнання, яке використовується для розв‘язання задач управління характеристиками мережі. Побудовано узагальнену модель управління параметрами інформаційних потоків у телекомунікаційних мережах. Сформульовані спрощуючі припущення щодо початкових умов функціонування мережного сегменту. Сформовано алгоритм визначення мережевих аномалій на основі ентропії часових рядів. Показано, що швидкість зростання необхідного обсягу пам'яті в комутаційних вузлах зростає при збільшенні параметра Херста. Розглянуто формувач трафіку зі змінними швидкостями надходження і обробки пакетів. Розглянуто методи адаптивного формування потоків мережного трафіку і способи настройки структур управління систем з непрямим зворотним зв'язком, які керують параметрами і структурою формувача. Розроблено загальний функціонал ефективності передачі з основними та додатковими ключовими мережними функціями. У четвертому розділі проведений аналіз ефективності розроблених методів та пристроїв формування трафіку телекомунікаційних мереж нових поколінь. Розглянуті порівняльні характеристики часу очікування та середньої кількості повідомлень у чергах; проведено порівняння параметрів черг M/M/1, M/D/1 та Qd/D/1 і дослідження впливу якості формування трафіку на імовірності блокування та відкидання пакетів для різних моделей очікування. Розроблена схема адаптивного формувача трафіку М-го порядку з використанням модифікованого модуля прогнозування на основі предіктора Сміта. Показано, що при степеневому згладжуванні та двохкроковому прогнозуванні спостерігається зменшення інтервалу спадання частоти приблизно на 25% у порівнянні із експоненціальним згладжуванням.