Національний університет «львівська політехніка» демидов іван васильович

Вид материала

Автореферат

Содержание Науковий керівник Офіційні опоненти Жураковський Богдан Юрійович Автореферат розісланий Загальна характеристика роботи Актуальність теми. Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Метою роботи Об'єктом дослідження Методи дослідження. Наукова новизна одержаних результатів. Практичне значення одержаних результатів Реалізація і впровадження результатів роботи. Апробація результатів дисертації. Особистий внесок здобувача. Структура та обсяг роботи. Основний зміст дисертаційної роботи Основні результати та висновки Основні роботи, опубліковані за темою дисертації Ключові слова ... Полное содержание

Подобный материал:

• Міністерство Освіти І Науки України Національний університет “Львівська політехніка”, 2021.84kb.
• Національний університет «львівська політехніка» алзаб аєд хамдан, 385.08kb.
• Національний університет “Львівська політехніка” Інститут гуманітарних І соціальних, 1460.3kb.
• Міністерство освіти І науки України Національний університет “Львівська політехніка”, 593.71kb.
• Національний Університет "Львівська Політехніка", 313.77kb.
• Міністерство освіти І науки україни національний університет «львівська політехніка», 1080.17kb.
• Міністерство освіти І науки україни національний університет «львівська політехніка», 1259.1kb.
• Міністерство освіти І науки україни національний університет «львівська політехніка», 1068.44kb.
• Міністерство освіти І науки україни національний університет «львівська політехніка», 1563.62kb.
• Перелік закордонних вищих навчальних закладів, з якими Національний університет «Львівська, 51.85kb.

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»





ДЕМИДОВ ІВАН ВАСИЛЬОВИЧ


УДК 621.391


ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ УПРАВЛІННЯ ПОТОКАМИ В ТРАНСПОРТНИХ МЕРЕЖАХ З МУЛЬТИПРОТОКОЛЬНОЮ КОМУТАЦІЄЮ ЗА МІТКАМИ


05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі


АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук


Львів – 2010

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертаційну роботу присвячено дослідженню ефективності управління потоками в мережах з мультипротокольною комутацією за мітками (Multiprotocol Label Switching, MPLS), розробленню методів, апаратних та програмно-алгоритмічних засобів, які забезпечують її підвищення. Ефективність управління потоками у таких мережах визначається одночасно кількома взаємопов’язаними показниками: продуктивністю мережної системи, ступенем використання існуючих мережних ресурсів, що поставлені у відповідність застосованим методам конфігурування інформаційних потоків та обладнання мережної системи, які надають можливість її стійкого функціонування в умовах, близьких до повної завантаженості. В роботі запропоновано методи управління потоками та конфігурування мережних систем MPLS на основі використання результатів прогнозування розподілу інформаційних потоків за допомогою аналізу мережної топології методами теорії графів та матричного числення.

Актуальність теми. Основним принципом функціонування протоколів маршрутизації в найбільш поширених на сьогодні мережах з комутацією пакетів, протягом вже достатньо довгого часу є вибір маршруту на основі топології мережі без врахування інформації про поточне завантаження. Для кожної пари початкової і кінцевої адрес маршрутизації такі протоколи вибирають єдиний маршрут або кілька маршрутів, не враховуючи інформаційні потоки, що протікають через мережу. В результаті всі потоки між парами кінцевих вузлів встановлюються за найкоротшими маршрутами відповідно до метрики. Обраний маршрут може бути більш оптимальним, наприклад, якщо в розрахунок приймається номінальна пропускна здатність каналу зв'язку або затримки, що ним вносяться, або менш оптимальним, якщо враховується тільки критерій кількості проміжних маршрутизаторів між вхідним і кінцевим вузлами.

Такий підхід призводить до того, що навіть у випадку, коли найкоротший шлях перевантажений, пакети все одно надсилаються цим шляхом – виникає проблема гіперагрегації мережного трафіку. Це вказує на неефективність методів розподілу ресурсів мережі - одні ресурси працюють з перевантаженням, а інші не використовуються зовсім. Традиційні методи та підходи боротьби з перевантаженням цю проблему вирішити не можуть, отже необхідні якісно інші механізми. Інформаційні потоки в телекомунікаційних мережах все ж можуть бути прогнозованими, а їхні величини – оціненими на основі положень теорії графів, виходячи із інформації про топологію мережної структури, у якій вони встановлюються під час експлуатації.

Враховуючи недосконалість існуючих підходів до управління трафіком, на мережах зв'язку здійснюється активне впровадження нових мережних технологій, таких як MPLS, яка забезпечує гарантовану середню пропускну здатність відповідно до принципів трафік-інжинірингу (TE – Traffic Engineering). Окрім цього проводяться розробки по створенню більш ефективних та гнучких методів управління потоками та передавання даних, які будуть застосовуватися на оптичних мережах наступного покоління. Технологія MPLS постійно вдосконалюється в напрямку адаптації до умов передавання потокового трафіку в пакетних мережах, забезпечуючи підтримку QoS для потокових застосувань.

Питанням підвищення ефективності управління потоками в транспортних мережах присвячені роботи таких вчених, як Березко М.П., Беркман Л.Н., Будилдіної Н.В., Вишневського В.М., Левнера Е.В., Лемешко О.В., Поповського В.В., Awduche D.O., Malcolm J., Agogbua J., O'Dell M., McManus J., M.S. Garey, D.S. Johnson, G. Cornuejols, M.L. Fisher, B. Fortz, R. Widyono та інших.

Незважаючи на значну актуальність даної тематики і тривалий період її вивчення на сьогодні залишається ряд невирішених задач. Зокрема, не досліджувались можливості прогнозування розподілу інформаційних потоків на основі аналізу топології мереж з використанням матричного числення та теорії графів. Такий підхід дозволяє відносно просто моделювати мережну систему, створювати нові алгоритми маршрутизації з елементами евристики, які дають можливість оминати завантажені ділянки мережі та виконувати корекцію рішень, отриманих на основі менш ефективних алгоритмів управління потоками.

Аналіз існуючих робіт дозволяє зробити висновок, що створення нових методів передавання інформації надає змогу зменшити технологічні втрати пропускної здатності високошвидкісних оптичних трактів у мережних системах нового покоління за рахунок гнучкого виділення та розподілу мережних ресурсів.

Таким чином, підвищення ефективності управління потоками в MPLS-мережах на основі дослідження та вдосконалення методів управління потоками, створення нових алгоритмів розподілу трафіку між шляхами з комутацією за мітками (Label Switched Path - LSP), а також розроблення більш гнучких методів передавання даних у високошвидкісних оптичних мережах, що дозволить забезпечувати більш повне використання мережних ресурсів фізичного та канального рівнів і збільшення загального рівня продуктивності, незалежно від рівня завантаження мережної системи, є актуальною науковою задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи безпосередньо пов’язана з пріоритетними напрямками розвитку науки і техніки в рамках державних програм розвитку та інформатизації Кабінету Міністрів України, координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України «Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, систем зв’язку” та “Фундаментальні дослідження з найважливіших проблем природничих, суспільних і гуманітарних наук”.

В дисертаційній роботі узагальнені і систематизовані результати досліджень, проведених автором на кафедрі «Телекомунікації» Національного університету «Львівська політехніка», її структурних підрозділах та лабораторіях у період з 2004 по 2009 рр. Дисертаційні дослідження виконані в рамках чотирьох науково-дослідних робіт: «Дослідження та оптимізація структури і топологій інфокомунікаційних систем і мереж» (ДБ/Структура), (2006 – 2007 рр.), № держреєстрації 0106U009587; госпдоговірної НДР «Основні принципи функціонування DWDM-систем: пропускна здатність і міжканальні завади. Розробка імітаційної моделі DWDM-оптичного лінійного тракту», (2005 – 2006 рр.), № держ. реєстрації 0106U004703; госпдоговірної НДР «Дослідження методів та засобів підвищення ефективності оптичних транспортних систем», (2006 р.), № держреєстрації 0107U001127; госпдоговірної НДР «Дослідження та оптимізація міських транспортних інфокомунікаційних мереж», (2007 р.), № держреєстрації 0107U000822.

Метою роботи є підвищення ефективності управління потоками в MPLS-мережах – мережної продуктивності та ступеню використання потенційно доступних ресурсів пропускної спроможності за допомогою їх розподілу між заданим набором шляхів LSP в умовах динамічної зміни мережного трафіку на основі вдосконалення та розроблення відповідних методів, програмно-алгоритмічних та апаратних засобів.

Для досягнення поставленої мети вирішено наступні задачі:

• проведено аналіз і дослідження особливостей формування трафіку в мережах з мультипротокольною комутацією за мітками;
  
• розроблено і досліджено методи моделювання та підходи до оптимізації архітектури систем управління мережами, організованими за технологією MPLS, їх конфігурації та параметрів, що забезпечують підвищення продуктивності мереж та адаптацію до динамічно змінного трафіку без необхідності зміни структури мережі та підвищення пропускної спроможності каналів, за рахунок підвищення ступеню використання існуючих мережних ресурсів;
  
• удосконалено та розроблено методи управління потоками та алгоритм маршрутизації, що передбачає евристичну оптимізацію функції вартості маршрутів на основі врахування прогнозованої завантаженості каналів мережної системи, отриманої за допомогою аналізу її топології методами теорії графів із застосуванням матричного числення;
  
• запропоновано низькорівневу мережну архітектуру, адекватну вимогам щодо пропускної здатності оптичних систем передавання наступного покоління на основі методу оптичного кодового мультиплексування каналів для підвищення гнучкості розподілу та зменшення технологічних втрат пропускної спроможності високошвидкісних оптичних каналів мережних систем;
  
• розроблено програмну імітаційну модель для дослідження ефективності запропонованих методів і алгоритмічних рішень та підтвердження їх достовірності на основі порівняння результатів моделювання та експериментальних вимірювань.
  

Об'єктом дослідження є управління потоками в транспортних інформаційних мережах.

Предметом дослідження є методи підвищення показників ефективності управління потоками в мережах з мультипротокольною комутацією за мітками.

Методи дослідження. У роботі для вирішення задачі підвищення ефективності управління потоками в MPLS-мережах використовуються методи математичного програмування, теорії управління трафіком, теорії телекомунікаційних систем, теорії графів та матричного числення.

Достовірність результатів підтверджується коректністю постановки задач, застосуванням строгих математичних моделей та апробованого математичного апарату, відповідністю результатів та висновків.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Отримали подальший розвиток методи дослідження та моделювання систем управління інформаційними потоками шляхом врахування топологічних властивостей базової мережі, що дає змогу підвищити досяжну продуктивність та стійкість мережної системи до перевантажень за допомогою конфігурування просторових мережних кластерів і потокового балансування з урахуванням прогнозованого завантаження елементів мережі.
   
2. Вперше одержано аналітичні вирази та математичні моделі для процесу маршрутизації, які враховують прогнозоване завантаження каналів мережної системи, отримане за допомогою аналізу її топології методами теорії графів із застосуванням матричного числення, що склали основу методу управління потоками та алгоритму маршрутизації, які забезпечують більш повне використання ресурсів пропускної спроможності мережі.
   
3. Удосконалено модель транспортної MPLS-мережі на основі врахування у потоковій матриці ефекту гіперагрегації трафіку для заданої топологічної структури, що дало можливість отримати залежності коефіцієнта блокування інформаційних потоків для умов низької, середньої та високої завантаженості мережної системи при використанні потенційно доступних ресурсів пропускної спроможності.
   
4. Розвинуто теоретичні основи та концепцію побудови оптичної транспортної платформи на основі методів багатофазного оптичного кодового мультиплексування каналів, що дозволило підвищити ступінь використання пропускної спроможності та адаптивність фізичного і канального рівнів на мережі доступу.
   

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

• розроблено новий високоефективний спосіб оптичного передавання з кодовим розділенням каналів, при якому додаткове інформаційне навантаження несуть дискретні, відносні до еталонної кодової послідовності фази циклічних зміщень N-1 інформаційних кодових послідовностей (Патент України №32925 від 10.06.2008 «Спосіб оптичного передавання з кодовим розділенням каналів» [1, 7]), що у поєднанні з поляризаційною модуляцією дозволяє збільшити пропускну здатність у кілька разів (у залежності від прийнятого методу кодування інформації, виду інформаційних кодових послідовностей та властивостей оптичних волокон), при цьому один кодовий незалежно мультиплексований інформаційний канал може забезпечити до 1/(N-1) загальної пропускної здатності системи, таким чином досягається необхідна гнучкість для підвищення ступеню використання мережних ресурсів;
  
• створено програмний комплекс для розрахунку фізичного та канального рівнів оптичних мереж передавання даних, що дало змогу автоматизувати обчислення та оптимізацію параметрів активного та пасивного обладнання високошвидкісних оптичних транспортних систем;
  
• розроблено алгоритм маршрутизації, стійкий до перевантажень мережної структури, що передбачає евристичну оптимізацію функції вартості маршрутів на основі врахування прогнозованої завантаженості каналів мережної системи, отриманої за допомогою аналізу її топології методами теорії графів із застосуванням матричного числення.
  

Реалізація і впровадження результатів роботи. Результати роботи впроваджені у виробництво в РЦТЕТТМ-6 філії «Дирекція первинної мережі» ВАТ «Укртелеком», на Львівській філії ВАТ «Укртелеком», що підтверджено відповідними актами. Зокрема:

• впроваджено у виробництво на РЦТЕТТМ-6 філії «Дирекція первинної мережі» ВАТ «Укртелеком» програмне забезпечення для розрахунку параметрів обладнання оптичних систем;
  
• проведено реорганізацію структури мережі передавання даних Львівської філії ВАТ «Укртелеком» із застосуванням методів оптимізації на основі врахування топологічних властивостей базової мережі та алгоритмічного забезпечення для конфігурування інформаційних потоків, згідно запропонованих в роботі підходів до управління потоками в статичному режимі. Експериментальний виграш за продуктивністю та показниками ймовірності встановлення інформаційних потоків користувачів протягом годин найбільшого навантаження (ГНН) склав 23-25%.
  

Наукові та практичні результати виконаних досліджень використані в учбовому процесі, в лекційних курсах і лабораторних роботах, які проводяться для студентів Національного університету «Львівська політехніка» за напрямом «Телекомунікації» та спеціальністю «Інформаційні мережі зв’язку», зокрема «Оптичні та радіоканали», «Управління потоками в телекомунікаційних мережах».

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати і положення дисертації представлялись, доповідались та всебічно обговорені на 5-ти міжнародних науково-технічних конференціях, 2-х наукових семінарах та симпозіумах: «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп’ютерної інженерії» – TCSET (м. Львів-м. Славсько,  2006, 2008 рр.); «Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці» – CADSM (м. Львів-Поляна,  2007, 2009 рр.); «Проблеми телекомунікацій» ПТ-07, ПТ-08 (м. Київ, 2007, 2008 рр.); науково-практичних та науково-методичних конференціях «Сучасні проблеми телекомунікацій» (м. Львів, 2005, 2008 рр.)., ХХV Науково-технічній конференції “Моделювання“. ІПМЕ НАН України (м. Київ, 2006 р.). Крім цього, дисертаційна робота у повному обсязі представлена на засіданні кафедри «Телекомунікації» Національного університету «Львівська політехніка».

Публікації. За результатами досліджень, які викладені в даній дисертаційній роботі, опубліковано 34 наукові праці, серед них – 18 статей у фахових виданнях згідно з переліком ВАК України, 2 патенти України, 14 публікацій у збірниках праць міжнародних і державних конференцій.

Особистий внесок здобувача. Всі результати наукових, теоретичних і практичних досліджень, викладені в дисертації, одержані автором особисто. У працях, опублікованих у співавторстві, дисертантові належать: у роботах [1-5, 8, 20, 21] – постановка задач досліджень, [1, 3, 6-8, 10, 11, 14-16] – методичні та технологічні основи ефективного розвитку транспортної мережної архітектури, [6, 20, 22] – результати моделювання, [9-33] – аналіз отриманих результатів, [4, 6, 20] – алгоритми управління потоками з використанням прогнозування потокових властивостей мережі на основі аналізу її топології, [1, 2, 4, 7] – високошвидкісна низькорівнева архітектурна платформа для ефективного розподілу пропускної спроможності фізичного та канального рівнів оптичних мережних систем.

Структура та обсяг роботи. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 185 сторінок друкарського тексту, із них 9 сторінок вступу, 134 сторінки основного тексту, 40 рисунків, 4 таблиці на 2 сторінках, список використаних джерел зі 166 найменувань, 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі розкрито суть тематики дисертаційної роботи, обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі дослідження, наведено наукову новизну, практичну значимість, дані про особистий внесок здобувача, апробацію результатів роботи та публікації, вказано на зв’язок роботи з науковими програмами.

У першому розділі – «Принципи побудови та задачі оптимізації мереж з використанням технології MPLS» – досліджено принципи побудови мереж з використанням технології мультипротокольної комутації за мітками, проаналізовано її переваги, недоліки та подано порівняння з іншими технологіями. Розглянуто питання управління трафіком і проблеми оптимізації трафіку, а також проведено аналіз методів оптимізації управління потоками в мережах IP / MPLS.

Удосконалення методів управління інформаційними потоками дозволяє їх спрямовувати не лише за найкоротшим шляхом, визначеним за допомогою традиційного протоколу маршрутизації, але й через менш завантажені вузли та канали зв'язку. При правильному моделюванні потоків і правильному виборі методів управління потоками, а також конфігуруванні мережного обладнання, навантаження на всі фізичні канали зв'язку, маршрутизатори та комутатори повинне бути збалансоване таким чином, щоб ні один з цих компонентів не був недовантажений або перевантажений. У результаті мережа буде працювати більш ефективно і стабільно.

В другому розділі роботи – «Моделювання та оптимізація систем управління неоднорідними інформаційними потоками» – проведено дослідження методів моделювання та оптимізації систем управління потоками для мереж IP/MPLS. Виявлено, що такі методи, як правило, передбачають застосування доволі складного класичного математичного інструментарію та носять інтегральний характер, не враховуючи явним чином властивості окремих елементів мережі. Аналізуючи та класифікуючи існуючу множину моделей інформаційних систем управління потоками (ІСУП) можна прийти до висновку, що вони не враховують явним чином топологічну структуру мережі, яка пов’язана як з особливостями і ефективністю конфігурування інформаційних потоків та обладнання мережі, так і з параметрами потокового резервування за пропускною здатністю. Тому існуючий мережно-інтегральний підхід до моделювання та оптимізації систем управління потоками, який передбачав врахування інтегральних мережних властивостей, пряму оптимізацію конфігурації та розроблення моделей для опису функціональних методів логічно-потокової структури ІСУП було вдосконалено, шляхом врахування фізично-логічних властивостей елементів ІСУП, моделювання методів логічно-потокової структури, розвитку моделей для опису та оптимізації конфігурації ІСУП.

Застосування потокового прогнозування на основі аналізу топології мережі методами теорії графів та матричного числення дозволяє досягнути конфігурації рішень LSP, яка задовольняє критерію зменшення максимального навантаження на канали зв’язку мережі, в тому числі   на ребра мінімального розрізу і вибирає найкоротший шлях серед усіх можливих в заданих умовах завантаження. При цьому існує можливість довантаження мінімально завантажених ресурсів пропускної здатності мережі та вирівнювання трафіку усієї мережної системи для уникнення ефекту гіперагрегації інформаційних потоків.

У роботі запропоновано метод конфігурування систем управління потоками в MPLS на основі прогнозування потокового завантаження за допомогою аналізу топології мережної системи. При цьому досягається утворення структурних кластерів мережної системи, що конфігурують та балансують інформаційні потоки у відповідності із прогнозованими потребами мережі, чим забезпечується підвищення ефективності використання потокових ресурсів на мережному рівні.

Визначено як загальні аналітичні закономірності, яких необхідно дотримуватися при розвитку систем управління потоками транспортних мереж, так і практичні рекомендації щодо розвитку мережної конфігурації у випадку кластерної організації мережі.

Достатньо очевидно, що реалізація будь-якої системи починається не в повному об'ємі її підсистем, а з деякого вибраного їх кількісно-якісного складу.

Основним критерієм здійснення такого вибору є забезпечення максимальної інформаційної інтеграції підсистем внутрішніми інформаційними зв'язками при одночасному досягненні можливої мінімізації їх зв'язків із зовнішнім середовищем (мінімізації впливу зовнішніх чинників). Для проведення дослідження у роботі запропоновано підхід декомпозиції системи управління потоками на підсистеми, вибір конфігурації яких можна описати наступним чином.

Нехай ІСУП, представляється мережею U, що складається з вузлів (підсистем) P, так, що Між P_S встановлені двонаправлені інформаційні зв'язки з відомими інформаційними потоками F: , що утворює повнозв'язну матрицю . Для деякої підмножини підсистем , де , за умови необхідно знайти таку матрицю , що взаємний інформаційний обмін між включеними в неї об'єктами максимальний, а отже такий, що задовольняє ефективному, щодо сформованої задачі, поєднанню двох критеріїв та

З фізичних міркувань вказану вище вимогу можна сформулювати в наступному еквівалентному вигляді: інформаційний обмін з середовищем, що оточує вибраний набір підсистем, повинен бути мінімальним, тобто необхідно знайти підмножину підсистем X, що міститься в U, таку, що:

(1)

Практичне рішення такої задачі досить складне і, в загальному випадку, можливе тільки повним перебором, який можна скоротити на основі евристичних підходів.

В роботі запропоновано метод отримання поля топології графу [14] для прогнозування завантаженості каналів мережної системи на основі аналізу інформації про її топологію та виділення групи з вузлів, що утворюють квазі-замкнені функціональні потокові контури - кластери ІСУП, за допомогою перетворень бінаризованої матриці суміжності актуальної області мережі: . При цьому застосовується степеневий матричний оператор порядку N, узгодженого з розміром структури, що аналізується ( – коефіцієнт структурної пропорційності). На границях топологічних сегментів - кластерів ІСУП елементи матриці , а також прогнозований інформаційний обмін та завантаження відповідних каналів згідно (1) будуть мінімальними. Згідно теорії графів проводиться виділення нормованих значень потужностей множин міжвузлових зв’язків, тобто кількостей всіх можливих шляхів довжиною до N-1, на ребрах графу, що описує мережу розмірністю N. За умови упорядкованої нумерації вузлів мережі, кластери ІСУП можна чітко виділити.

В даному розділі дисертаційної роботи проведено аналіз потоково- та пакетно-орієнтованих технологій передавання інформації, що можуть бути застосовані на основі високошвидкісної оптичної платформи. З досліджень [10] можна зробити висновок, що для підтримки належного рівня якості сервісу в оптичних мережних системах перевагу слід надати технологіям з комутацією потоків при 20-30% активності потокових застосувань.

У дисертаційній роботі розроблено нові підходи до управління потоками в транспортних мережах та алгоритм маршрутизації на основі врахування прогнозованої завантаженості каналів мережної системи, отриманої за допомогою аналізу її топології, проведено моделювання для такого класу алгоритмів.

Враховуючи швидке зростання попиту на пропускну здатність мережних систем, необхідною умовою для розвитку систем управління потоками є існування ефективної платформи на фізичному та канальному рівнях, яка реалізує сполучення мережних вузлів у кластерах зі спільною концепцією керування потоками для підключених споживачів, наприклад, – в мережах доступу, причому перевагу слід надати канальній комутації для підвищення ефективності маршрутизації потоків. Сполучення кластерів на магістральних рівнях доцільно реалізовувати за класичними технологіями, наприклад MPLS.

У третьому розділі дисертаційної роботи   «Дослідження особливостей побудови мережно-залежних рівнів оптичних транспортних мереж та низькорівнева платформа сегменту доступу MPLS мережі»   запропоновано адаптивну гібридну низькорівневу архітектуру фізичного та канального рівнів для кластера інтегральної оптичної мережі на основі способу оптичного передавання інформації з використанням багатофазного кодового мультиплексування каналів, яка дозволила значно підвищити ефективність розподілу пропускної здатності високошвидкісних оптичних каналів інфраструктури доступу MPLS за рахунок використання великої кількості незалежних кодових каналів, утворених на одній оптичній несучій. У розділі показано переваги концепції створення платформи передавання інформації з комутацією блоків на рівні 1,5 ЕМВВС (на фізичному та канальному рівнях), які виявляються у зниженні ймовірності втрати інформації в мережі при збільшенні інтервалу мультиплексування для інформаційних блоків. При цьому, запропонована в роботі низькорівнева архітектурна платформа практично еквівалентна за функціональною ефективністю та характеристиками платформам з комутацією блоків на рівні 1,5 ЕМВВС і дозволяє реалізувати їх переваги у високопродуктивних транспортних мережних системах наступного покоління.

Рис. 1. Архітектурна низькорівнева платформа для високошвидкісних оптичних кластерів NGN.

Найбільш перспективним для побудови розглянутої архітектурної платформи є поєднання технологій спектрального ущільнення, поляризаційної модуляції, дискретно-фазової модуляції та оптичного кодового ущільнення (FO-CDMA) (рис. 1). При цьому висока швидкість передавання забезпечується оптичними шарами 0, 1, 3 і залежить від обраного методу кодування інформації. Шари 2, 4 дозволяють ділити пропускну здатність каналів, спільно з шаром 3, чим забезпечується гнучке мультиплексування інформаційних потоків. Кількість незалежно мультиплексованих потоків залежатиме від кількості інформаційних кодових слів на канал, кількості робочих позицій, їх циклічних фазових зміщень та кількості часових циклів передавання, організованих у кожну з сесій зв’язку в межах кластеру мережі. Таким чином, забезпечується повна статична та динамічна адаптивність даної технологічної архітектури фізичного та канального рівнів до вимог, які пред’являються до сучасних оптичних мережних систем.

Отже, запропоновано та запатентовано спосіб оптичного передавання з кодовим розділенням каналів [1-2, 7], який полягає в тому, що набір ортогональних кодових слів ділиться на набір інформаційних кодових слів та призначене опорне кодове слово, вхідну інформацію на передавальній стороні представляють величинами циклічних фазових зміщень в наборі К-1 інформаційних кодових слів і відповідними номерами позицій цих зміщень відносно початку призначеного опорного кодового слова, яке включають до складу оптичного сигналу в межах часового вікна кожного циклу передавання (рис. 2) з тривалістю, яка рівна подвоєній тривалості всіх імпульсів кожного окремо взятого кодового слова (2Р), при цьому модулюють оптичне випромінювання утвореними кодовими словами та передають за допомогою спектрального ущільнення через оптичне волокно, на приймальній стороні оптичний сигнал демультиплексують за спектром, детектують та перетворюють оптичний сигнал в електричну форму, синхронізацію та налаштування кореляційних елементів і вирішуючих пристроїв здійснюють на основі призначеного опорного кодового слова, а в приймачі - номери позицій циклічного і фазового зміщення окремих інформаційних кодових слів узгоджено фіксують відносно призначеного опорного кодового слова в моменти їх фактичного надходження до кореляторів та отримують вихідну інформацію.

Рис. 2. Цикл часового вікна формування канального кодового слова тривалістю 2Р стандартних чіпових інтервалів з використанням 4 із 64 (Р=К=64) ортогональних кодових послідовностей.

Такий спосіб оптичного передавання забезпечує збільшення кількості незалежно мультиплексованих інформаційних потоків в одному оптичному спектральному каналі, підвищення гнучкості керування його пропускною здатністю як мінімум у (Р-1)/2 разів (у випадку, якщо Р=К) за рахунок використання керованих багатопозиційних (1…P) циклічних фазових зміщень К-1 ортогональних кодових слів, відносно призначеного опорного кодового слова, шляхом виконання нових дій, якими реалізують спосіб оптичного передавання з кодовим розділенням каналів, без заміни оптичних середовищ передавання та підвищення складності проміжного обладнання оптичних трактів. Варто відзначити, що використання одночасно великої кількості робочих позицій циклічних фазових зміщень кодових слів може бути поставлене у відповідність розгортанню інтервалу мультиплексування блоків інформації, що передаються за допомогою статичних кодових послідовностей.

На сьогодні існують способи передавання та, відповідно, реалізовані практично системи з оптичним кодовим мультиплексуванням каналів (стандарт FO-CDMA). На відміну від існуючих, запропонований спосіб передавання інформації дозволяє досягнути більшої гнучкості та продуктивності оптичної системи завдяки використанню властивостей трансортогональності кодових слів і незначним апаратним модифікаціям – уведенню лінійки керованих, синхронізованих із еталонною кодовою послідовністю оптичних ключів. У більшості випадків внаслідок великих просторових розмірів кластерів є необхідним застосування систем компенсації поляризаційно-модової дисперсії.

Цикл передавання описаного способу передавання для Р=64 має вигляд, який подається на рис. 2.

Швидкість, що може бути досягнута при використанні у запропонованій технології одного з N-1 кодових каналів при утвореній спектральній смузі F=10 Гбіт/с складає приблизно 300 Мбіт/c, що у 2 рази менше пропускної здатності цілого xWDM каналу базової спектральної основи STM-4 із максимальним завантаженням. При цьому можна забезпечити доступ до двохсот користувачів Fast Ethernet на одній оптичній несучій із високим завантаженням та гнучким управлінням канальною ємністю, що приблизно рівне можливостям та завадозахищеності звичайного Ethernet over SDH мультиплексування, але виключає колізійні ефекти та підвищення ієрархічної складності комунікаційного обладнання.

Приклад архітектури оптичного мережного кластеру мережі доступу MPLS на основі PON із застосуванням запропонованої у роботі технології поданий на рис. 3.



Рис. 3. Приклад архітектури оптичного мережного кластеру доступу MPLS з багатофазним оптичним кодовим мультиплексуванням на основі пасивної оптичної мережі (PON) типу «зірка».

В роботі проаналізовано особливості формування широкосмугової модуляції для способу оптичного передавання з багатофазним кодовим мультиплексуванням каналів, проведено порівняльний аналіз взаємокореляційних властивостей кодових послідовностей сімейств Уолша-Адамара та вейвлет-функцій Хаара. Можна відзначити придатність обох функціональних сімейств для застосування у запропонованій низькорівневій архітектурній платформі фізичного та канального рівнів для кластера доступу інтегральної оптичної MPLS мережі на основі способу оптичного передавання інформації з використанням багатофазного кодового мультиплексування каналів. За показниками взаємної кореляції та властивостями трансортогональності ефективнішим виявляється застосування вейвлет-функцій Хаара.

У четвертому розділі роботи – «Моделювання розподілу трафіку та управління потоками в MPLS транспортних мережах» – на основі проведених дисертаційних досліджень розроблено метод управління потоками при конфігуруванні LSP для рівномірного розподілу інформаційних потоків мережної системи і оптимізації показників потокового резервування (коефіцієнтів, що характеризують додаткову незадіяну пропускну здатність, яка виникає при зміні мережної конфігурації та може використовуватись для перерозподілу потоків з основного LSP на резервний у разі необхідності). Також запропоновано ядро алгоритмів маршрутизації, стійких до перевантажень мережної системи, отримане на основі апріорного евристичного врахування в функції вартості маршруту прогнозованої завантаженості мережі, отриманої шляхом аналізу її топології.

Процес конфігурування інформаційних потоків в LSP системою управління потоками може бути описаний блок-схемою рис. 4. Ініціюючою подією конфігурування може стати початкове потокове проектування оптичної мережної системи, аварійна ситуація, пов’язана із фізичним втручанням, а також стійке перевантаження, що викликане непрогнозованими оперативними змінами у мережі.

Визначимо потокові матриці суміжності попереднього та поточного станів конфігурацій LSP встановлених інформаційних потоків мережі відповідно: та . Функціонали та [5] подамо наступним чином:

	(2)
	(3)

У процесі конфігурування інформаційних потоків функціонал (2) забезпечує вирівнювання розподілу інформаційних потоків для конфігурації LSP у структурі MPLS мережі, а функціонал (3) – формування структури потоків із заданими показниками потокового резервування необхідної логічної конфігурації LSP, враховуючи апаратну топологічну конфігурацію мережі. Виконання розрахункових операцій за виразами (2-3) є досить ефективним, внаслідок відносної простоти алгоритмів обробки матриць.

Для розробки програмно-алгоритмічних засобів системи управління потоками і забезпечення її стійкості до перевантажень, спрощення роботи і можливості використання існуючих алгоритмів маршрутизації та управління потоками без модифікації стеку протоколів існує можливість використання в програмних надбудовах, що визначають вартості маршрутів за означеними метриками, апріорі прогнозованих значень завантаженостей з використанням аналізу топології [6], які розраховуються на основі матриці суміжності актуальної області мережі (де – коефіцієнт структурної пропорційності). При цьому можливе ефективне врахування та прогнозування стану каналів, яке не виконується більшістю практично використовуваних алгоритмів систем управління потоками класу вектор-відстань, і, як наслідок, – зменшення ймовірності перевантаження мережних ресурсів та виникнення негативних ефектів гіперагрегації трафіку.

Визначимо межі області критичної завантаженості для мережної структури. В існуючих транспортних мережах передавання даних оперують значеннями 85-95%. Це досить незначний діапазон зміни, що відповідає максимуму продуктивності мережі та визнається експертами в галузі мережного аналізу. Якщо розглядати процеси маршрутизації та конфігурування LSP в мережі з точки зору апріорі передбачених, чи, коректніше, спрогнозованих завантаженостей структури, то ймовірність проходження інформаційних потоків за результатами імітаційного моделювання має нелінійний характер при досягненні вказаної межі. Звідси, природним є те, що стратегії маршрутизації мають змінюватися із зміною сукупних значень завантаження всієї структури.

Рис. 4. Процес конфігурування потоків в LSP системою управління потоками транспортної мережі за критеріями максимальної рівномірності та максимізації показників потокового резервування.

В загальному ж слід виділити три випадки, які передбачають власні стратегії для механізмів маршрутизації за завантаженістю мережної структури: допустима, критична, критично висока.

Для кожного з трьох випадків у роботі наведено алгоритми-стратегії маршрутизації із врахуванням результатів [6].

Таким чином, на основі якого-небудь базового алгоритму маршрутизації, наприклад Дійкстри, отримується базова множина B маршрутів LSP. Кожна стратегія маршрутизації передбачає можливість скорочення множини можливих варіантів маршрутів LSP. Причому, множини маршрутів LSP, які формуються всіма трьома стратегіями утворюють собою базову множину: . Перша стратегія віддає перевагу множині , друга – , третя – .

Опишемо ядро алгоритмів маршрутизації для конфігурування LSP згідно трьох запропонованих у роботі стратегій маршрутизації. Для цього нам необхідно визначити символьний оператор, який характеризує стратегії:, де u – порядковий номер кожної з описаних стратегій маршрутизації.

Таким чином, отримуємо загальний функціонал, що визначає механізм маршрутизації, надання пріоритетів маршрутам при скороченні базової множини можливих маршрутів:

.

(4)

У (4) позначено: – новий потік, що потрібно встановити, –матриця існуючих потоків мережі, причому при підстановці у (4) ,   елемент віртуальної ланки (ЕВЛ), яка утворює своїми вузлами кінцеві пункти маршруту LSP. Необхідно зазначити, що врахування функціонал-критерію (4) та пов’язані з цим розрахунки мають зміст лише при існуванні коректно розрахованої базової множини B можливих маршрутів LSP і коректному формуванні вимог до величин інформаційних потоків, які мають бути встановлені, а також не гарантують 100% встановлення потоку, лише збільшуючи ймовірність встановлення шляху.

Рис. 5. Порівняння результатів імітаційного моделювання для відомих алгоритмів маршрутизації згідно з даними літературних джерел (адаптивний розподілений VCD, Varvarigos-Lang, 1999) та згідно запропонованих (5 нижніх залежностей легенди, централізовано-орієнтований) алгоритмів для різних конфігурацій транспортних мережних систем.

Функціонал (4) може бути порівняно легко реалізованим програмно. В дисертаційній роботі наведено результати імітаційного моделювання (рис. 5), виконаного на основі алгоритмів, що враховують функціонал-критерій (4).

Дані експериментальних досліджень процесів маршрутизації, що проведені на основі MPLS мережі передавання даних Львівської Філії ВАТ «Укртелеком» узгоджуються із результатами моделювання (криві А, В рис. 5) для структур класу «координатна сітка [4x4] вузли» із середньоквадратичним відхиленням поданих залежностей (з урахуванням коефіцієнту потокової пропорційності при редукуванні 9 кілець мережних моделей - потокове резервування 2+1 - у 3 кільця реальної мережної структури) менш ніж 5 %.

Приклади матричних рішень та встановлених маршрутів LSP на фоні рельєфу матриці прогнозованих завантаженостей мережі (гратка 4х4 вузли), нормованої до значення ЕВЛ, оптимальних за критерієм рівномірного балансування трафіку та отриманих із врахуванням результатів аналізу топології на основі (4), наведені на рис. 6, а та рис. 6, б для випадків відносно низької та відносно високої загальної завантаженості мережної системи відповідно.

Рис. 6, а. Розрахований оптимальний маршрут {6, 7, 11, 10} у випадку відносно низької завантаженості, нормування до ЕВЛ= {2, 14} - обернене (для уніфікації структури алгоритмів).	Рис. 6, б. Розрахований оптимальний маршрут {3, 2, 1, 5, 9, 13} у випадку відносно високої завантаженості, поелементне нормування до ЕВЛ={2, 14} - пряме.

Описані у роботі алгоритми, реалізовані самостійно або доповнюючи відомі алгоритмічні рішення для систем управління потоками, можуть визначати або скорочувати до необхідної множину отриманих базових розв’язків та вибирати оптимальний варіант управління потоками в процесі конфігурування LSP з мінімальною можливою затримкою чи максимально можливою ймовірністю встановлення інформаційного потоку, володіючи стійкістю до перевантажень мережі (рис. 5, криві А, В) та, відповідно, рівномірністю балансування мережного трафіку. При цьому ефективно за обчислювальною складністю досягається підвищення ступеню використання ресурсів потенційно доступної пропускної спроможності MPLS-мережі, а отже   і її загальної продуктивності.

У додатках до дисертаційної роботи наведено опис концепції Traffic Engineering для управління трафіком MPLS-мереж, коди програм імітаційного моделювання та візуалізації в середовищі MATLAB, описаних у другому та четвертому розділах дисертаційної роботи алгоритмів маршрутизації, а також акти впровадження результатів дисертаційної роботи.