На правах рукописи

Соляков Артемий Александрович

МЕТОДИКИ КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА АЛГОРИТМОВ

КОНТРОЛЯ НАСЫЩЕНИЯ В СОСТАВЕ ЯДРА GNU/LINUX ПРИ

УПРАВЛЕНИИ ИНФОРМАЦИОННЫМИ КАНАЛАМИ С

ЗАДЕРЖКОЙ

Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (в приборостроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 2010

Работа выполнена на кафедре Информатики и программного обеспечения вычислительных систем в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете).

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор Гагарина Лариса Геннадьевна

Официальные оппоненты Доктор технических наук Портной Сергей Львович Кандидат технических наук, доцент Плетнева Ирина Давидовна

Ведущая организация ГУП НПЦ «Элвис»

Защита состоится 28 декабря 2010 года в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 212.134.02 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу:

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан «» 2010 г.

Ученый секретарь А.В. Гуреев диссертационного совета доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современных условиях управление информационными потоками в сети, как правило, осуществляется с использованием транспортного протокола управления передачей (TCP), организующего гарантированную доставку отправленных данных. В состав протокола входят алгоритмы, выполняющие контроль приема и передачи данных. Алгоритм контроля насыщения является одним из таких алгоритмов TCP.

Под насыщением канала понимается превышение программноаппаратных ограничений активного сетевого оборудования (маршрутизаторы, коммутаторы), образующего канал. Насыщение канала сопровождается отбрасыванием сетевых пакетов, что для конечного пользователя выражается в снижении скорости передачи данных, вызванной повторами передачи отброшенных пакетов. Негативные последствия насыщения можно уменьшить, выполняя оперативное регулирование интенсивности передачи данных. Механизм контроля насыщения выполняет названное регулирование на стороне отправителя сегментов протокола.

Результаты проведенного анализа показали, что в настоящее время не существует универсального алгоритма контроля насыщения.

Поскольку передача данных может быть организована в условиях больших задержек передачи, постоянных потерь и других проблем, то рассматривают множество алгоритмов контроля насыщения, каждый из которых позволяет наиболее эффективно выполнять поставленную задачу в определенных условиях. В состав программной реализации протокола TCP входит один из алгоритмов множества. Такую реализацию называют модификацией протокола TCP по названию применяемого алгоритма контроля насыщения, например модификация CUBIC TCP или модификация Reno TCP.

Современными проблемами алгоритмов контроля насыщения являются медленное восстановление после потерь в широкополосном канале с задержкой передачи и неэффективное использование ширины асимметричного канала передачи.

Поискам решений обозначенных проблем посвящены работы Эстелла, Хасегавы, Якобсона, Брадена. Анализ технологий управления передачей данных в современных ОС показал, что решение указанных проблем возможно для ОС GNU/Linux. Разработчики сетевой подсистемы ядра ОС GNU/Linux вынесли программную реализацию алгоритмов контроля насыщения за пределы основного кода протокола и предоставили программный интерфейс взаимодействия с ним. Вынесенные алгоритмы получили название подключаемых алгоритмов контроля насыщения.

Появление интерфейса взаимодействия позволило существенно упростить написание программного кода алгоритма контроля насыщения, вследствие чего их общее количество заметно возросло.

Разработка нового подключаемого алгоритма контроля насыщения сопровождается экспериментальным сравнением с рядом существующих решений. Однако сопоставление результатов экспериментальных исследований нередко затруднено ввиду отсутствия общих критериев анализа, а также методов организации самих экспериментальных исследований подключаемых алгоритмов контроля насыщения.

Поэтому представляются актуальными исследования, направленные на выработку критериев и создание методик комплексного анализа алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux при управлении информационными каналами с задержкой.

В дальнейшем, при должной поддержке со стороны разработчиков других ОС, технология подключения алгоритмов контроля насыщения получит более широкое применение, и результаты диссертационной работы смогут быть использованы для комплексного анализа алгоритмов контроля насыщения соответствующих ОС, поскольку проблемы контроля насыщения останутся.

Целью диссертации является разработка методик комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux при управлении информационными каналами с задержкой, позволяющих проводить, а также сопоставлять результаты экспериментальных исследований подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux согласно критериям комплексного анализа и выбирать эффективные механизмы контроля насыщения.

Для достижения поставленной цели были выделены следующие задачи диссертационного исследования.

1. Анализ теоретического материала, накопленного в области алгоритмизации методов и способов контроля насыщения множества модификаций транспортного протокола управления передачей.

2. Разработка интегрального критерия комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, позволяющего исследовать эффективность алгоритмических компонент механизма контроля насыщения транспортного протокола.

3. Разработка методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, на основе технологии паравиртуализации, эмуляции сетевых каналов и подключения алгоритмов контроля насыщения ОС GNU/Linux.

4. Разработка методики измерения метрик логического соединения транспортного протокола при управлении фоновым сегментным 5. Разработка программного комплекса, позволяющего поддерживать сетевой обмен в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой согласно заданным параметрам с использованием расширений стандартной библиотеки, обеспечивающих перенос программного комплекса на различные платформы.

Методы исследования. В диссертационном исследовании использованы методы теории вероятностей и математической статистики, теории графов. Основу разработки составили средства имитационного моделирования, а также технологии паравиртуализации, подключения алгоритмов контроля насыщения и эмуляции сетевых каналов.

Научная новизна. Научная новизна проведенного исследования заключается в создании совокупности научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих повышение эффективности выполнения процедур анализа механизмов контроля насыщения в ОС GNU/Linux.

В ходе диссертационных исследований получены следующие новые научные результаты.

1. Предложен новый интегральный критерий комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, позволяющий исследовать эффективность механизмов контроля насыщения транспортного протокола.

2. Разработана методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, впервые использующая совместно технологии паравиртуализации, эмуляции сетевых каналов и подключаемых алгоритмов контроля насыщения ОС GNU/Linux, что делает возможным выполнение созданных имитационных сетевых моделей на одной физической вычислительной машине, с меньшими, по сравнению со средами ограниченного исполнения и эмуляторами, затратами вычислительных ресурсов.

Разработана новая методика измерения метрик логического соединения транспортного протокола на основе управления фоновым сегментным шумом, что позволяет в реальном времени отслеживать влияние регулируемого, а не статического, как в стандартных инструментах диагностики сети, фонового сегментного шума на характеристики транспортного протокола исследуемого алгоритма контроля насыщения.

4. Разработан новый программный комплекс, позволяющий поддерживать сетевой обмен в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой согласно заданным параметрам, с использованием расширений стандартной библиотеки, что позволяет переносить программный комплекс на различные платформы в отличие от стандартных инструментов диагностики сети.

5. Разработана имитационная модель, позволяющая выполнять процедуры комплексного анализа механизмов контроля насыщения транспортного протокола управления передачей.

6. Показано, что разработанные методики и алгоритмы позволяют снизить на порядок дисперсию наблюдаемой двойной задержки.

Относительное отклонение от заданной задержки передачи составляет не более 4%.

7. По результатам моделирования и теоретических исследований выделен эффективный подключаемый алгоритм контроля насыщения транспортного протокола управления передачей для ОС GNU/Linux.

Достоверность научных результатов подтверждается соответствием результатов имитационного моделирования результатам функционирования реальной системы.

Достоверность подкреплена фактом успешного внедрения и использования разработанных методик и отдельных их рекомендаций в ООО «ХайТекДиджит».

Практическая значимость заключается в том, что применение предложенных технических решений позволяет создавать модели, способные имитировать задержки передачи, потери пакетов, битовые ошибки передачи, нарушение порядка следования пакетов и многие другие проблемы, встречающиеся в реальных компьютерных сетях, что позволяет обслуживать широкий круг задач моделирования с привлечением технологии паравиртуализации.

Разработанные методики позволяют сопоставлять результаты экспериментальных исследований подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux согласно критериям комплексного анализа с целью выбора наилучших решений проблемы контроля насыщения.

Гибкость и универсальность предложенных в работе решений делает возможным их применение в средствах автоматического регулирования и управления технологическими процессами, в системах управления и контроля Интернет-трафика, в корпоративных информационноаналитических системах, в биллинговых системах.

Отдельные результаты диссертации отмечены золотой медалью на выставке ВВЦ-2009, а также грантом президента Российской Федерации первой степени на выставке НТТМ-2008.

В результате выполнения работы получены сертификаты.

1. Junior Level Linux Professional (LPIC-1).

2. Advanced Level Linux Professional (LPIC-2).

3. Senior Level Linux Professional (LPIC-3).

4. Novell Certified Linux Administrator (Novell CLA).

5. Data Center Technical Specialist.

Личный вклад автора.

1. Предложен новый интегральный критерий комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, позволяющий исследовать эффективность программной реализации алгоритмических компонент механизма контроля насыщения транспортного протокола.

2. Разработана методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой. Обоснованы требования к имитационной сетевой модели и создана сетевая топология модели.

3. Разработана методика измерения метрик логического соединения транспортного протокола с привлечением свободного программного обеспечения ОС GNU/Linux.

4. Разработан новый программный комплекс, позволяющий поддерживать сетевой обмен в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой.

5. Показано, что разработанные методики и алгоритмы позволяют снизить на порядок дисперсию двойной задержки с относительным отклонением от заданного значения не более 4%.

Разработана имитационная модель, позволяющая провести комплексный анализ подключаемых алгоритмов контроля насыщения.

7. По результатам определен эффективный подключаемый алгоритм контроля насыщения.

8. Автор лично принимал участие в разработке, отладке, тестировании и внедрении созданных по результатам диссертационной работы программных средств.

Реализация полученных результатов. Результаты диссертационной работы использованы в:

НИР «Асимметричный доступ в Интернет при использовании канала спутниковой связи», выполненной в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы;

учебном процессе Московского государственного института электронной техники при чтении лекций кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» (ИПОВС) по курсам «Сети ЭВМ» и «Операционные системы, среды и оболочки»;

ООО «ХайТекДиджит».

Все работы по реализации и внедрению проводились под руководством или при непосредственном участии автора.

Внедрение подтверждено актами.

В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные положения.

1. Результаты проведенного теоретического анализа показали, что наличие большого числа подключаемых алгоритмов контроля насыщения требует формализации процедур их сравнения.

2. Разработка интегрального критерия комплексного анализа и имитационной модели позволяет создать необходимую базу для построения процедур объективного сравнения различных подключаемых алгоритмов контроля насыщения.

3. Разработка методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, методики измерения метрик логического соединения транспортного протокола и программного комплекса «Сателлит» позволяет научно обоснованно оценивать изменения характеристик транспортного протокола исследуемого алгоритма контроля насыщения.

4. Разработанная программная реализация методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой позволяет на порядок снизить дисперсию наблюдаемой двойной задержки с относительным отклонением от заданного значения не более 4%.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на пяти международных и одной всероссийской конференциях.

1. IX всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям. Кемерово, Институт вычислительных технологий СО РАН, 2008 г.

2. Международная конференция «Life IT». Hagen, FernUniversitat, 3. Международная научно-практическая конференция «Приоритетные направления развития современной науки''. Чебоксары, МГУТУ, 4. II международная студенческая научно-практическая конференция «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания». Новосибирск, ЦРНС, 2010г.

5. IV международная научно-практическая конференция «Наука и современность-2010». Новосибирск, ЦРНС, 2010г.

6. Международная научная школа «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы». Зеленоград, МИЭТ, Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ (12 работ без соавторов), в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах ВАК.

Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ заявка №2009611527 «Программный комплекс «Сателлит» от 09.04.2009г. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ заявка №2009612481 «ЕИСМ «Basis» от 26.05.2009г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложений, содержащих листинги программ и акты внедрения результатов работы. Основная работа изложена на 112 страницах, содержит 5 таблиц и 22 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика проблемы. Обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе представлен обзор проблемноориентированных исследований, в котором рассмотрены алгоритмические компоненты механизма контроля насыщения, описана мотивация к их созданию, применяемые формулы расчета и способы программной реализации.

Исследованы подходы к проблеме классификации алгоритмов контроля насыщения и обозначены существующие критерии классификации. Представлена таксономия алгоритмов контроля насыщения на основе сетевой осведомленности. Выделены алгоритмы контроля насыщения таксона черного ящика (HSTCP, STCP, CUBIC TCP), серого ящика (Vegas TCP, Westwood TCP) и зеленого ящика (ECN, RED).

Помимо таксономии названа проблематика применения протокола управления передачей в асимметричных и широкополосных информационных каналах с задержкой, где BDP B RTT 10 бит ( B - ширина канала (бит/с), RTT - двойная задержка передачи (с)). Чем больше BDP, тем сложнее организовывать эффективную передачу данных транспортного протокола управления передачей, поскольку тем больше данных приходится поддерживать в неподтвержденном состоянии, что для конечного пользователя выражается в недостаточной утилизации канала в процессе восстановления после потерь и необходимости выделения большего объема памяти под хранение сегментов данных окна.

Аналитическое описание проблемы насыщения и изменения размера окна насыщения представлено ниже.

В момент обнаружения насыщения суммарный размер окна насыщения равен:

где i ( k ) - размер окна насыщения i -го участника соединения в k -ой эпохе насыщения; BDP - емкость канала; n RTT - число двойных задержек, прошедших до момента обнаружения насыщения; i - аддитивный коэффициент увеличения окна насыщения i -го участника. Веn n RTT i представляет собой суммарное количество потеличина рянных сегментов в k -ой эпохе насыщения. Чем больше потеряно сегментов, тем дольше выполняются процедуры восстановления после потерь. Эффективный алгоритм контроля насыщения выполняет оперативное определение насыщения, что позволяет снизить величину n RTT.

Во время ( k 1 ) -го насыщения размер окна:

где i - мультипликативный коэффициент уменьшения i -го участника, - продолжительность ( k 1 ) -ой эпохи насыщения в единицах двойной задержки.

Динамика роста окна насыщения i -го участника:

Величины и каждого участника определяются применяемым алгоритмом контроля насыщения на основании представлений о загруженности канала.

Алгоритмы контроля насыщения являются неотъемлемой частью TCP. Не переставая развиваться, они позволяют регулировать передачу данных в условиях меняющихся задержек или потерь передаваемых сегментов. Актуальной проблемой на протяжении уже многих лет остается создание алгоритма контроля насыщения, сочетающего в себе совместимость с существующими алгоритмами и способность быстрого восстановления после потерь в широкополосных информационных каналах с задержкой. Поскольку оба приведенных требования являются взаимоисключающими, то сопоставление результатов программных реализаций различных алгоритмов не всегда можно трактовать однозначно. Некоторые из алгоритмов нацелены на справедливое распределение ресурса ширины канала, другие же, наоборот - выполняют агрессивное приращение размера окна насыщения, ставя своей целью быстро восстанавливаться от неизбежных для транспортного протокола управления передачей потерь. В связи с чем возникает необходимость разработки методик анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения, применимых в решении задачи сопоставления программных реализаций этих алгоритмов и выборе наилучшего механизма контроля насыщения.

Результатом проведенных в первой главе исследований стали определение проблемной ситуации, а также формулировка цели и задач дальнейших исследований.

Во второй главе разработаны методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой и измерения метрик логического соединения транспортного протокола.

Проведена формализация интегрального критерия комплексного анализа на основе нормализованных критериев сравнительного анализа протоколов транспортного уровня, применимого в анализе алгоритмических компонент механизма контроля насыщения. Интегральный критерий включает следующие элементы.

1. Эффективность. Под эффективностью будем понимать близость суммарного потребления ресурса ширины канала ( i, где i i среднее значение размера окна насыщения i -го потока) к оптимальному значению ( goal ). Эффективность рассчитывается по Критерий оценивает суммарную эффективность n 1 конкурирующих потоков.

Равномерность. Критерий равномерности характеризует распределение ресурса разделяемого коммуникационного канала конкурирующими потоками. Расчет производится по формуле:

ния пропускной способности канала между n 1 конкурирующими потоками.

Чувствительность. Определяется временем, за которое окно насыгде - среднее значение окна насыщения потока, t ( ) - время, необходимое для достижения размера окна насыщения сегментов. В широкополосном канале с задержкой чувствительность является одной из определяющих характеристик общей производительности алгоритма контроля насыщения, поскольку представляет оценку скорости роста кривой размера окна насыщения в фазе медленного старта.

Амплитуда. Критерий определяется амплитудой колебаний размера окна насыщения:

размера окна насыщения, (t ) - значение размера окна насыщения в момент времени t.

Период. Критерий определяется периодом колебаний размера окна насыщения: T, где m - количество срабатываний алгоритмов восстановления, t - время передачи.

На основе названных критериев предложен интегральный критерий комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения:

где T - нормализованный критерий периода колебаний, k - весовой коэффициент. Значения весовых коэффициентов задаются на основании экспертной оценки.

Период колебаний размера окна насыщения ( T ) в ряде случаев не соответствует периоду наступления реальных событий насыщения канала, поскольку количество срабатываний алгоритмов восстановления ( m ) включает в себя и преждевременные срабатывания механизмов восстановления после потерь, что является следствием неверно подобранных коэффициентов расчета характеристик протокола. Во избежание коллапса насыщения, потеря сегментов обрабатывается как насыщение сети, независимо от причин самих потерь.

Сформулируем необходимые условия, при которых использование критерия периода колебаний размера окна насыщения допустимо.

Двойная задержка канала ( i, j ) на k -ом измерении:

где d f ( i, j ) - величина односторонней задержки передачи в канале в направлении от узла i к узлу j, d r ( i, j ) - величина односторонней задержки передачи в канале в обратном направлении.

T ( i, j ) описывает последнее выполненное измерение, на основании которого вычисляется двойная задержка в программном экземпляре протокола узла i согласно:

RTT RTT

где RTT - характеристик протокола.

держка прохождения сегмента в канале в направлении от узла i к узлу ( i, j ) - задержка, внесенная ожиданием в очереди активного сетевого оборудования, образующего канал на k -ом измерении. Аналогично определим d r ( i, j ) C r r ( i, j ).

RTT RTT

где C C Размер окна насыщения уменьшается при обнаружении потерь.

Время ожидания квитанции на отправленный сегмент, превышение которого сигнализирует о потери сегмента:

где RTO - характеристик протокола.

Поскольку подтверждение каждого принятого сегмента влечет за собой накладные расходы в виде служебного трафика квитанций, подтверждение выполняется периодически, с интервалом:

Приведенные выше рассуждения описывают поведение транспортного протокола управления передачей узла i исходя из полученных измерений двойной задержки. Аналогичные рассуждения справедливы для транспортного протокола узла j.

Преждевременное срабатывание механизма контроля насыщения происходит при R ( i, j ) D ( j, i ), когда подтверждение полуk k ( D ( j, i ) ), превышающим время ожидания этого подтверждения ( R ( i, j ) ) протоколом узла i.

На основании результатов теоретических исследований и проведенного моделирования предложены характеристики протокола, при которых использование критерия периода колебаний размера окна наRTO

DTO DTO

Сделан вывод о необходимости построения имитационной модели для проведения процедур комплексного анализа.

Обобщая существующие наработки в области проведения сравнительного анализа протоколов транспортного уровня в компьютерных сетях с коммутацией пакетов, можно выделить основные требования, предъявляемые к модели, которые необходимо учитывать в процессе ее создания.

Параметрическая конфигурация вероятностных характеристик (задержка передачи, потери, нарушение порядка следования, битовые ошибки).

Механизмы динамического регулирования ширины канала.

Административное задание правил маршрутизации.

Псевдослучайный фоновый сетевой трафик.

В диссертационной работе приводится сравнение существующих решений в области эмулирования сетевых каналов, по результатам которого в состав имитационной модели включается сетевой эмулятор TC/Netem.

Из схемы сетевой топологии Dumb-bell, описывающей общий случай двухсегментной сети с общим каналом, выведены две частные сетевые топологии: асимметричное двухканальное соединение с явным разделением принимающего и передающего канала, соединение широкополосным каналом с задержкой.

Для создания виртуализованного окружения имитационной модели сервером виртуализации Xen на основе технологии паравиртуализации, соответствующим образом были подготовлены ядра ОС GNU/Linux. Технология паравиртуализации уменьшает количество переключений между Xen и гостевой ОС, что дает существенный прирост производительности гостевой ОС.

Далее разрабатывается методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой, включающая в себя следующие основные этапы (рис. 1, рис. 2).

Рисунок 1 – Схема алгоритма создания системы гостевых доменов сервера виртуализации Задание матрицы P параметрических характеристик имитационной модели.

где p ij ( T, l, d, e, r, b ) - параметрическая характеристика канала, связывающего узлы i и j сетевой топологии реальной системы ( T - параметр односторонней задержки, включающий фиксированную величину ( t delay ) и ее случайное изменение ( t variabilit ); l - паy раметр потерь; d - параметр дубликатов; e - параметр битовых ошибок; r - параметр нарушения порядка следования пакетов; b параметр ширины канала. Будем считать, что p ij ( 0 ), если узлы i и j не являются смежными (их разделяют узлы маршрутизации).

Создание системы виртуальных машин в объеме, необходимом для отображения сетевой топологии имитационной модели.

Рисунок 2 – Схема алгоритма создания системы гостевых доменов сервера виртуализации (продолжение) Выполнение процедур роль-ориентированной настройки виртуальных машин, задание правил маршрутизации внутри сети и параметров дисциплин обслуживания сетевых интерфейсов узлов.

Для упрощения представления матрицы строится взвешенный граф, однозначно соответствующий логической топологии реальной системы.

Методика измерения метрик логического соединения транспортного протокола опирается на результаты применения методики параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой: предполагается наличие виртуальных машин гостевых доменов участников соединения, генераторов сегментного шума и маршрутизатора трафика доменов. На виртуальных машинах участников соединения устанавливается измерительное ПО. Порядок выполнения измерений описан в алгоритме проведения измерений метрик программного экземпляра протокола TCP в главе 2.

Предложенные методики направлены на синтез имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой и выполнение измерения метрик логического соединения транспортного протокола управления передачей в синтезированных моделях.

Третья глава посвящена программной реализации разработанной методики параметрического синтеза и методики измерения метрик логического соединения транспортного протокола, а также выполнению процедур настройки сетевой подсистемы ядра и программного окружения компонент имитационной модели. На рис. 3 представлена разработанная имитационная модель.

Согласно разработанной сетевой топологии, в состав тестового стенда входят пять виртуальных машин, занимающих соответствующие гостевые домены монитора виртуальных машин Xen.

Созданная имитационная модель удовлетворяет заявленным требованиям.

1. Модель допускает параметрическую конфигурацию вероятностных характеристик (задержка передачи, потери, нарушение порядка следования, битовые ошибки) сетевого эмулятора (netem) маршрутизатора (R).

2. Динамическое регулирование ширины канала выполняется дисциплиной обслуживания (TBF) маршрутизатора (R).

3. Правила маршрутизации задаются межсетевому экрану (iptables) маршрутизатора (R).

Псевдослучайный фоновый сетевой трафик создается виртуальными машинами из числа гостевых доменов (domU).

Синтезированная имитационная модель использует совместно технологии паравиртуализации, эмуляции сетевых каналов и подключаемых алгоритмов контроля насыщения.

В четвертой главе выполняется исследование имитационной модели.

Рассмотрены вопросы валидации созданной имитационной модели с использованием методов установления адекватности и выбран метод доверительного интервала, который включает в себя следующие действия.

1. Сбор n независимых наборов данных из системы и модели.

2. Вычисление среднего значения наблюдений в каждом наборе системных ( X i ) и модельных данных ( Y i ).

Построение доверительного интервала для X Y с помоS (n) Если 0 [ l ( ), u ( )], наблюдаемая разность X Y считается статистически значимой на уровне. Это эквивалентно отклонению нулевой гипотезы H 0 ( X Y ) в пользу двусторонней альтернативной гипотезы H 1 ( X Y ) на этом же уровне. Если 0 [ l ( ), u ( )], то любая наблюдаемая разность X Y не будет статистически значимой на уровне и может быть объяснена выборочными флуктуациями.

Построением 90-процентного доверительного интервала согласно описанному методу показана адекватность [-1.727, 0.641] представления реальной системы с помощью метода доверительного интервала.

Проведена количественная оценка результатов применения методик, путем сравнительного анализа синтезированной имитационной модели с известными свободными аналогами. В качестве критериев анализа использовались погрешности моделирования заданных сетевых параметров (задержка передачи, ширина полосы пропускания).

Состав проведенных испытаний включает в себя следующие эксперименты.

1. Задание параметра задержки передачи, измерение отклонения от заданного значения, размаха выборки и дисперсии.

2. Задание параметра ширины канала, измерение отклонения от заданного значения, размаха выборки и дисперсии.

Разработанный экспериментальный стенд представлен тремя имитационными моделями, по одной на каждый сетевой эмулятор. Различие между представленными моделями заключается в программном обеспечении маршрутизатора (таблица 1). Эксперименты проводятся в гостевых доменах сервера виртуализации Xen. Синтезированная имитационная модель обозначена кодом К-1.

Таблица 1 – Сравниваемые имитационные модели Условное Операционная система Сетевой эмулятор обозначение маршрутизатора интерфейсов маршрутизатора К-3 Ubuntu Dapper Drake (2.6.15) NIST Net Во время проведения экспериментов устанавливалась частота системных часов ядра маршрутизатора 100 Гц, 250 Гц, 1000 Гц, чтобы исследовать поведение сравниваемых моделей в различных условиях работы. В качестве параметров во всех моделях были заданы значения задержки 10 мс и ширины канала 1 Мбит/с. Результаты представлены ниже.

Рисунок 4 – Эмуляция канала с задержкой 10 мс Чем меньше дисперсия, размах выборки и относительное отклонение наблюдаемых значений, тем лучше имитационная модель приближается к параметрически заданной величине и тем точнее будут результаты имитационного моделирования.

По результатам можно сделать следующие выводы. В эксперименте с задержкой передачи 10 мс модели К-3 и К-1 одинаково хорошо справляются с поставленной задачей, относительное отклонение от заданной задержки передачи К-3 составляет менее 3%, для К-1 эта величина на уровне 3%. Хуже всех с поставленной задачей справляется К-2, в зависимости от заданного частотного параметра его относительное отклонение колеблется в пределах 41%. На малой и средней частотах размах выборки К-1 в 10 раз меньше, чем у К-2 и К-3. Дисперсия К-1 в 10 раз меньше, чем дисперсия К-3 на всех частотах, то же касается и Кза исключением частоты 1000 Гц.

В эксперименте с ограничением ширины канала 1 Мбит/с модель К-1 демонстрирует лучший результат на всех частотах, относительное отклонение держится на уровне 1%. Средние показатели К-3 и К-2 совпадают и соответствуют относительному отклонению в 2%. На малой частоте К-1 обладает дисперсией в 2 раза меньшей. На всех частотах размах выборки К-1 меньше (2). Самый большой размах выборки соответствует К-3 (12).

Как можно заметить (рис. 4, рис. 5), созданная имитационная модель (К-1) обладает лучшим приближением к параметрически заданной величине в задачах ограничения ширины канала и задержки передачи, обладая меньшей дисперсией и размахом выборки.

В главе 4 проведено сравнение стандартных подключаемых алгоритмов контроля насыщения ОС GNU/Linux согласно интегральному критерию комплексного анализа. Сравнение проводилось в синтезированной имитационной модели. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты сравнения подключаемых алгоритмов АлгоJ cubic 0.1387 0.9999 0.6419 0.0807 0.5282 190, highspeed 0.1512 0.9995 0.9589 0.0681 0.4925 220, hybla 0.1425 0.9991 0.9111 0.0726 0.5485 217, illinois 0.1803 0.9479 0.9293 0.018 0.1216 194, scalable 0.1604 0.9812 0.9399 0.0677 0.3703 211, vegas 0.1384 0.9999 0.9593 0.0743 0.9167 240, westwood 0.1449 0.9982 0.9021 0.0574 0.6933 223, Измерения проводились при ширине канала 2 Мбит/c и задержке 10 мс. Весовые коэффициенты: k 100, k F 80, k 100, k A 70, k T 50. По результатам сравнения предложен подключаемый алгоритм контроля насыщения vegas.

В заключении диссертации сформулированы основные выводы и полученные результаты.

В приложениях приведены листинги программной реализации методик и программного комплекса «Сателлит»; акты внедрения результатов диссертационной работы; полученные сертификаты, подтверждающие компетенцию исполнителя; свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, а также копия наградного диплома министерства образования и науки Российской Федерации и копия удостоверения лауреата золотой медали ВВЦ-2009 за отдельные научные результаты, полученные входе выполнения диссертационной работы.

В диссертационной работе предложено решение научной проблемы создания методик комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения в составе ядра GNU/Linux при управлении информационными каналами с задержкой. При этом получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Формализован интегральный критерий комплексного анализа подключаемых алгоритмов контроля насыщения в информационных каналах с задержкой.

2. Предложена и валидирована методика параметрического синтеза имитационных сетевых моделей информационных каналов с задержкой на основе технологий паравиртуализации, эмуляции сетевых каналов и подключения алгоритмов контроля насыщения.

3. Разработана методика измерения метрик логического соединения транспортного протокола на основе управления фоновым сегментным шумом, что позволяет в реальном времени отслеживать влияние регулируемого, а не статического, как в стандартных инструментах диагностики сети, фонового сегментного шума на характеристики транспортного протокола исследуемого алгоритма контроля насыщения.

4. Создана сетевая топология имитационной модели асимметричных и широкополосных каналов с задержкой на основе топологии двухсегментной сети, включающая асимметричное двухканальное соединение с явным разделением принимающего и передающего канала, а также соединение широкополосным каналом с задержкой.

5. Разработана программная реализация сценариев параметрической конфигурации доменов сервера виртуализации, а также диагностики и наладки сетевых подключений, агрегации результатов экспериментальных испытаний.

6. Разработана и выполнена программная реализация сценариев валидации имитационной модели. По результатам валидации показано, что дисперсия и размах выборки наблюдений задержки передачи синтезированной имитационной модели в 10 раз меньше чем у ближайших аналогов. Относительное отклонение от заданной задержки передачи на малой и средней частоте системных часов составляет не более 4%. В задаче ограничения ширины канала модель также демонстрирует лучшие, по сравнению с известными аналогами, результаты с относительным отклонением не более 2% и с меньшим размахом выборки.

Разработана имитационная модель, позволяющая провести комплексный анализ подключаемых алгоритмов контроля насыщения, и по результатам моделирования определен эффективный подключаемый алгоритм контроля насыщения.

Результаты диссертационной работы внедрены в ООО «ХайТекДиджит», в учебный процесс кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» (ИПОВС) Московского государственного института электронной техники, в НИР «Асимметричный доступ в Интернет при использовании канала спутниковой связи» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ОСНОВНЫМ РЕЗУЛЬТАТАМ

ДИССЕРТАЦИИ

Соляков А.А. Исследование комплексной интеграционной и прикладной платформы SAP NetWeaver // Материалы конференции «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем». Зеленоград, МИЭТ, Соляков А.А., Кукушкин Е.С. Применение определяемых пользователем типов данных в объектно-реляционных СУБД при создании систем информационного мониторинга // Естественные и технические науки. – М.: Спутник+. 2008. № 3. С. 345.

Соляков А.А. Эволюционные вычисления в поиске субоптимальных решений // Сборник научных трудов «Информационные технологии и инноватика: проблемы, перспективы, решения». Зеленоград, МИЭТ, 2009. — С. 147-151.

Соляков А.А. Ключевые аспекты проектирования интегрированных информационных пространств // Актуальные проблемы современной науки. – М.: Спутник+. 2008. № 5. С. 210-211.

Соляков А.А. Проблемы использования TCP в ДТК // Естественные и технические науки. – М.: Спутник+. 2010. № 2. С. 417-418.

Соляков А.А. Туннелирование с использованием модуля TUN/TAP ядра ОС GNU/Linux // Естественные и технические науки. – М.:

Спутник+. 2010. № 4. С. 318-319.

Соляков А.А. Управление сетевыми параметрами протокола TCP ядра ОС GNU/Linux // Естественные и технические науки. – М.:

Спутник+. 2010. № 4. С. 320-321.

Соляков А.А. Обзор алгоритмов бесклассовых дисциплин обслуживания сетевых потоков ОС GNU/Linux // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. – М.: Спутник+. 2010. № 7. С.

Соляков А.А. Создание обобщенного каркаса информации средствами системы описания ресурсов RDF (Resource Description Framework) // Материалы IX всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям [Электронный ресурс]. — Кемерово, Институт вычислительных технологий СО РАН, 2008. — http://www.nsc.ru/ws/show_abstract.dhtml?ru+189+ Соляков А.А. Асимметричные LFN-сети // Материалы международной НПК «Приоритетные направления развития современной науки». — Чебоксары, МГУТУ, 2010. — С. 179.

Соляков А.А. Дисциплина стохастического честного обслуживания 11.

очереди сетевого интерфейса ОС GNU/Linux // Сборник материалы II международной студенческой научно-практической конференции «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания». — Новосибирск, ЦРНС, 2010. — С. 198-199.

Соляков А.А. Основы управления сетевым обменом средствами ОС 12.

GNU/Linux // Сборник материалов IV международной научнопрактическая конференции «Наука и современность-2010». Новосибирск, ЦРНС, 2010. — С. 400-402.

Соляков А.А. Выработка критериев комплексной оценки подключаемых алгоритмов контроля насыщения // Материалы международной научной школы «Микроэлектронные информационноуправляющие системы и комплексы». Зеленоград, МИЭТ, 2010. — 14. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009612672 «Программный комплекс «Сателлит»/ Гагарина Л.Г., Соляков А.А.; заявитель и правообладатель ГОУ ВПО Московский государственный институт электронной техники (технический университет) - заявка № 2009611527, заявл. 9.04.2009; зарег. 27.05.2009.

15. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009613874 «ЕИСМ «Basis»/ Гагарина Л.Г., Соляков А.А., Сидорова-Виснадул Б.Д., Сидоров-Виснадул С.В., Фоминова Н.С., Марамыгина Е.И.; заявитель и правообладатель ГОУ ВПО Московский государственный институт электронной техники (технический университет) - заявка № 2009612481, заявл. 26.05.2009; зарег.

17.07.2009.