Диссертация (Модели и методы анализа показателей эффективности функционирования мультисервисных и одноранговых сетей)

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВНа правах рукописиУДК 621.391:395Гайдамака Юлия ВасильевнаМОДЕЛИ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ И ОДНОРАНГОВЫХСЕТЕЙСпециальность 05.13.17 – Теоретические основы информатики(по физико-математическим наукам)Диссертацияна соискание ученой степенидоктора физико-математических наукНаучный консультантдоктор технических наук,профессор Самуйлов Константин ЕвгеньевичМосква – 2017-2-ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕГЛАВА 1.3Особенностипостроенияматематическихмоделеймультисервисных сетей281.1.Обзор моделей мультисервисных сетей по теме работы281.2.Показатели эффективности мультисервисных сетей331.3.Модели обслуживания трафика мультисервисных сетей371.4.Модели управления перегрузками сервера протоколаустановления сессий1.5.42Модели одноранговых потоковых сетей и беспроводныхсетей взаимодействующих устройствГЛАВА 2.Анализмоделей48мультисервисныхсетейc мультипликативным распределением602.1.Замечания о мультипликативных решениях602.2.Модельмультисервиснойсетисмногоадреснымтрафиком2.3.63Мультипликативноерешениедлямоделисетис одноадресным и многоадресным трафиком2.4.Модельобслуживаниятрафика68межмашинныхвзаимодействий в сети LTE2.5.80Модель обслуживания трафика в пассивной оптическойсетиГЛАВА 3.Модели85системисетеймассовогообслуживанияустановления соединений в мультисервисных сетях3.1.Математическиемоделисистемустановлениясоединения3.2.Двухпотоковая9191поллинговаямодельспороговымуправлением нагрузкой сервера протокола установлениясессий3.3.Двухпотоковая95поллинговаямодельспороговымуправлением нагрузкой сервера протокола установлениясессийГЛАВА 4.109Модель гистерезисного управления нагрузкой в сетисерверов протокола установления сессий1194.1.Обзор методов порогового управления нагрузкой1194.2.Исследование механизма контроля перегрузок сервера-3-протокола установления сессий1254.3.Базовая модель гистерезисного управления нагрузкой1334.4.Особенности анализа модели с групповым поступлениемзаявокГЛАВА 5.140Построениемоделейдляанализапоказателейэффективности одноранговых сетей1535.1.Предварительные замечания к главам 5 и 61535.2.Аналитическая модель сети массового обслуживания дляодноранговой сети вещательного телевидения5.3.Аппроксимациянормальнымзаконом155вероятностивсеобщей передачи в одноранговой сети с двумя типамипользователей5.4.158Базовая модель одноранговой сети взаимодействиябеспроводных устройств5.5.162Приближенный метод анализа распределения суммарнойинтерференции в сети с несколькими передающимиустройствамиГЛАВА 6.172Модель буферизации данных в потоковых одноранговыхсетях6.1.180Анализ процесса обмена данными между пользователямив потоковых сетях6.2.180Модель буферизации данных в виде цепи Марковас учетом задержки воспроизведения видеоданных6.3.185Аналитический метод расчета матрицы переходныхвероятностей6.4.Модельстратегий193обменаданнымиместоположения и активности пользователейсучетом202ЗАКЛЮЧЕНИЕ210БИБЛИОГРАФИЯ213-4-ВВЕДЕНИЕТенденцииразвитиясовременныхтелекоммуникацийопределяютсяфундаментальным изменением, которое по своей значимости превосходитизменения в персональных коммуникациях, вызванные переходом от телеграфак телефону, и заключается в переходе от сетей с коммутацией каналов к сетям скоммутацией пакетов на базе IP-технологий.

Принципиально новым объектомисследований становится мультисервисная сеть связи, отвечающая требованияммультисервисности, как независимости технологий предоставления услуг оттранспортных технологий, широкополосности, как возможности измененияскорости передачи информации в широком диапазоне, мультимедийности, каквозможности передавать многокомпонентную информацию (речь, видео,аудио).Это изменение влечет за собой существенные перемены в научныхисследованиях, в том числе, в принципах построения математических моделей иразработки на их базе методов анализа показателей эффективности сети.

Вопервых, в мультисервисных сетях связи появились новые типы соединений,применяемых при передаче потокового видео, что потребовало существенноймодификации моделей сети с коммутацией каналов и методов их анализа,обеспечивающихалгоритмов.возможностьВо-вторых,созданиякардинальноэффективныхизменилисьвычислительныхсистемыуправленияпроцессом установления соединений (т.н.

«системы сигнализации»), и былиобнаружены проблемы, связанные с перегрузками узлов сети. Возникланеобходимость в создании новых математических моделей управлениявходящими потоками сообщений и разработки на базе этих моделей механизмовуправления перегрузками. В третьих, появились новые типы наложенныходноранговых сетей с высокими требованиями к пропускной способности - т.н.«пиринговые» сети (peer-to-peer, P2P) и сети прямого взаимодействиябеспроводных устройств (device-to-device communications, D2D). Потребовалисьновые математические модели для анализа показателей эффективности, которыеявляются функционалами как от показателей качества обслуживания сети(Quality of Service, QoS), так и от показателей качества восприятия услугпользователем (Quality of Experience, QoE). Наиболее важными показателямиQoS являются блокировки запросов пользователей, время установления-5-соединения, параметры механизмов управления соединением, характеристикиинтерференции в D2D сети, а наиболее важными показателями QoE являетсявероятность непрерывного воспроизведения видеопотока в P2P сети и др.Исследования в области создания моделей и соответствующих методованализа и расчета показателей эффективности мультисервисных сетей ведутся,начинаяс1990-хнедостаточнымигодов.вОднакосовременныхполученныеусловиях,результатыпоэтомуоказалисьисследованияпродолжились в направлении развития новых подходов, учитывающихразличные типы трафика, специфику новых систем сигнализации и особенностифункционированияодноранговыхсетей.Фундаментальныеисследованияведутся в области классических моделей мультисервисных сетей с различнымикомбинациями трех типов трафика – одноадресного, многоадресного иэластичного,идляразличныхприложений,например,межмашинныхвзаимодействий (machine-to-machine communications, M2M).

В области созданиянадежного механизма по предотвращению перегрузок в сети серверов,управляющих установлением соединения, исследуются новые модели системмассового обслуживания с пороговым управлением входящим потоком. В связис активным внедрением беспроводных сетей LTE (Long Term Evolution)исследования развиваются как в области задач разделения радиоресурсов изадач оценки характеристик интерференции в сети радиодоступа, так и вобласти анализа и расчета показателей качества обслуживания на базе моделейтеории телетрафика и теории массового обслуживания.

Наконец, исследованияодноранговых сетей в области обслуживания трафика ведутся по несколькимнаправлениям с использованием теории конечных цепей Маркова (ц.м.), в томчисле в области моделирования и анализа показателей качества восприятияуслуг, например, услуги цифрового вещательного телевидения. Теоретические иприкладные основы исследований в перечисленных направлениях базируются восновном на результатах в области дискретной математики, теории конечныхграфов, теории вероятностей, теории случайных процессов и теории массовогообслуживания. В числе российских исследователей и математиков в этойобласти следует назвать Г.П. Башарина [13-22, 140-141], П.П.

Бочарова [144],Е.В. Булинскую [12], В.М. Вишневского [24, 33-35, 66, 251], Б.В. Гнеденко[57, 58], А.Н. Дудина [159, 196, 251], А.И. Зейфмана [68, 69, 199, 255],В.А. Ивницкого [70], В.Ю. Королева [62, 69], А.А. Назарова [61, 84, 87, 88],-6-А.Е. Кучерявого [59, 80], А.И. Ляхова [78, 110], В.А. Наумова [18, 19, 89-93,141, 186, 210], Е.В. Морозова [94, 101, 138, 226], С.П. Моисееву [67,85, 88, 216],Ю.Н.

Орлова [47, 48, 95, 96, 215], А.В. Печинкина [52, 126-129, 144, 167, 168,218, 232, 236], А.П. Пшеничникова [9, 76, 82], О.Н. Ромашкову [60],К.Е. Самуйлова [1, 20, 64, 91, 105, 125, 126, 140], И.А. Соколова [52, 62, 68, 112],С.Н. Степанова [113, 114], И.И. Цитовича [111, 119, 136, 248], С.Я. Шоргина[41, 52, 112, 229] и др., а наиболее значимыми зарубежными авторами являютсяJ.G. Andrews [134, 212], F. Baskett [142], D.M.

Chiu [155], M. Dohler [134, 157,258], E. Gelenbe [181], V.B. Iversen [189], M. Haenggi [182, 185], F. Kelly[193-195], L. Kleinrock [190, 198, 245], P.J. Kuhn [202], Y. Liu [203, 204, 223],D. Lucantoni [205], M.F. Neuts [211], O. Martikainen [186, 191], B. Mukherjee[209], R. Ramaswami [219], K.W.

Ross [154, 203, 222, 223], H. Takagi [201,243-245], W. Whitt [252] и др.Вышеизложенное определяет актуальность создания теоретических основдляпостроениякомплексаматематическихмоделей,позволяющихмодифицировать, совершенствовать и разрабатывать методы анализа и расчетапоказателей качества обслуживания и показателей качества восприятия услугмультисервисных и одноранговых сетей. При этом предпочтительно искатьрешения не среди комплексных моделей, требующих разработки сложногоматематического аппарата, который с точки зрения вычислений практическинеприменим, а среди наиболее изученных моделей, которые при этом позволялибыэффективноидостаточноточновычислятьпоказателикачествамультисервисных и одноранговых сетей.Целью диссертационной работы является решение фундаментальнойнаучной проблемы – созданию теоретических основ и комплекса вероятностныхмоделей и разработке на их основе методов для анализа и расчета показателейэффективности мультисервисных и одноранговых сетей.Достижение сформулированной цели осуществляется путем решенияперечисленных ниже задач:- исследования и построение моделей обслуживания трафика и методы расчетаиххарактеристик,учитывающиенарядустрафикомодноадресныхсоединений многоадресный трафик, а в беспроводных сетях трафикмежмашинных взаимодействий;-7-- построение и анализ моделей сетей массового обслуживания (СеМО) дляоценки времени установления соединения и моделей систем массовогообслуживания (СМО) с управлением входящим потоком для анализа ирасчета показателей эффективности серверов протокола установления сессийв условиях перегрузок;- исследования и построение моделей и методов для оценки показателейкачествавосприятияуслугодноранговыхсетей,представленныхпиринговыми сетями с потоковым трафиком и беспроводными сетямивзаимодействующих устройств.Изсформулированныхвышецелейизадачвытекаетструктурадиссертационной работы, основной текст которой состоит из шести глав.Первая и вторая главы посвящены аналитическому литературному обзору ирешению проблемы создания марковских моделей мультисервисных сетей страфиком одноадресных и многоадресных соединений, сетей LTE с трафикоммежмашинных взаимодействий, а также моделей обслуживания трафика впассивной оптической сети.