Методика организации и модели алгоритмической адаптации в информационных сетях

А.М. Межуев,

кандидат технических наук, доцент, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

Д.Л. Стуров,

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

С.С. Никулин,

кандидат технических наук

МЕТОДИКА ОРГАНИЗАЦИИ И МОДЕЛИ АЛГОРИТМИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЯХ

TECHNIQUE OF THE ORGANIZATION AND MODELS OF ALGORITHMIC ADAPTATIONS IN INFORMATION NETWORKS

В работе решена задача формирования методики алгоритмической адаптации в информационных сетях на основе системы универсальных показателей оценки эффективности информационного обмена. Разработаны модели адаптивного управления информационными сетями, позволяющие своевременно реагировать на изменения входного трафика и помеховой обстановки.

In work the problem offormation of a technique of algorithmic adaptation in information networks on the basis of system of universal indicators of an estimation of efficiency of an information exchange is solved. Models of adaptive management of information networks allowing in due time react on changes of the entrance traffic and of hindrances conditions are developed.

Введение. В информационных сетях (ИС) военного назначения (относящихся к классу сложных систем) в условиях динамики изменения параметров информационного обмена (ИО), структурных характеристик и помеховой обстановки остро встает задача организации эффективной адаптации в реальном масштабе времени для обеспечения требуемого качества функционирования. В основе общепринятых подходов адаптивного управления лежат алгоритмы параметрической адаптации на физическом и канальном уровнях (согласно Эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС)) с использованием совокупности частных параметров ИС, характеризующих отдельные элементы ИС и их функциональные возможности [1—2]. На современном этапе развития телекоммуникаций и систем передачи информации актуальным и практически значимым является решение задачи адаптации на сетевом уровне ЭМВОС с использованием системы универсальных показателей на основе обобщенного параметра качества и критерия эффективности ИС, отражающего основные особенности ИО системы в целом и имеющего ясный физический смысл. Применение такого подхода, как показывают проведенные исследования, позволяет не только повысить эффективность ИО (информационную эффективность), но и поддерживать ее на требуемом (заданном) уровне с учетом динамики изменений условий функционирования [3—8].

Цель данной работы — разработка методики организации и моделей алгоритмической адаптации ИС в условиях высокого изменяющегося входного трафика и воздействия помех.

В работах [3, 4] для оценки информационной эффективности сетей передачи информации предложено в условиях высокого входного трафика (с промежуточным хранением информации) использовать обобщенный параметр — кибернетическая мощность ИС

Рис = NG

1 — 1 доп

где N — общее количество пакетов, находящихся в ИС в режимах передачи по каналам связи (КС) и хранения в буферных запоминающих устройствах (БЗУ); G — производительность ИС, а Тдоп — значение максимально допустимого времени задержки пакета в системе. С использованием модели идеальной сети в виде совокупности независимых од-ноканальных систем (ОС) (модель Л. Клейнрока с аппроксимацией независимости Джексона [1, 2]) определяется полная кибернетическая мощность ИС в виде

1 доп

Риде = I N Gi 1=1

где п — число ОС, составляющих модель идеальной сети.

В результате имеется возможность оценку информационной эффективности ИС производить с помощью обобщенного показателя — коэффициент полезного действия (КПД) в смысле передачи информации, как отношение представленных выше мощностей [3, 4]:

Пие = РИС/РИдС .

Данный показатель отражает степень близости ИС к предельным физическим возможностям по передаче информации и может быть использован для однозначной сравнительной оценки информационной эффективности сетей с разными топологиями, функционирующих в неодинаковых условиях ИО.

Для уточнения текущих значений КПД передачи информации г)пом{ с учетом

влияния помех в процессе ИО предлагается использование пространства-структуры помеховой обстановки ИС на сетевом уровне, которое определяет коэффициент ухудшения качества работы сети (klюм — 1). Величина kпом функционально определяет внешние потоки пространства-структуры помеховой обстановки (или задействование дополнительного ресурса ИС для обеспечения помехоустойчивости ИО), которые используются в тензорной ортогональной модели расчета сети. При этом kпом является функцией от известного параметра помехоустойчивости, используемого в системах связи и передачи информации на канальном уровне их функционирования кпом = / (£) — логарифма вероятности ошибки приема одиночных элементарных посылок. В работе при решении задачи алгоритмической адаптации в ИС рассматривается простейший случай учета влияния помех на качество функционирования сети кпом = £, т.е. принимается, что канальные характеристики помехоустойчивости оказывают непосредственное влияние на качество ИО на сетевом уровне. Поэтому значение £ используется при формировании уточненной оценки КПД передачи информации ИС с учетом воздействия помех [5, 6].

Лпом 1 =Лиег  £ .

Высокая нестационарность условий функционирования ИС затрудняет реализацию оптимально работающей в смысле ИО сети. Для реальных функционально устойчивых ИС целесообразен переход от оптимального адаптивного управления к использованию управления по пороговому значению [7]. С учетом назначения ИС, условий работы и принятых показателей для решения задачи алгоритмической адаптации в ИС сформирован критерий ин-

формационной эффективности сети в виде порогового значения КПД передачи информации. Для его нахождения необходимо использовать функцию информационной эффективности ИС — зависимость КПД передачи информации от интенсивности входного трафика (рис. 1).

В качестве граничного значения слева на рис. 1 используется величина входного трафика, которая задает технические условия применимости параметра кибернетическая мощность РИС , а именно условие полной загрузки КС и появление накоплений передаваемых пакетов в БЗУ ( у'вх = увх т,„, рис. 1). Уровень справа определяется величиной входного трафика у"ех = увх тах, которая обусловлена основными требованиями к обеспечению ИО (надежность, достоверность и своевременность доведения информации). Так как значения указанных показателей слева и справа соответствуют различным уровням КПД передачи информации г/ИС

(причем ПиС > п'ИС ), то при нахождении порогового уровня предложено предварительно определять диапазон его изменения Ащ = ц"ИС - щ'ИС , а затем вычислять как среднее значение

Ппор = пИс + 0,5А.

Рис. 1. Зависимость КПД передачи информации от интенсивности входной нагрузки

Однако в условиях высокого входного трафика и воздействия помех на ИО в сети для порогового уровня КПД принят дополнительный запас на возможное снижение информационной эффективности, поэтому используется нижний уровень порога из диапазона изменения Л] при минимально допустимых требованиях к передаче и хранению информации

Ппор = пИс .

При этом для каждого вычисленного текущего значения КПД последовательно проверяется выполнение условия

Ппом I ~ Ппор ,

и если неравенство (7) выполняется, то принимается решение о том, что ИС обеспечивает требуемую эффективность ИО, исходя из заданного порогового уровня КПД передачи информации. Для значений тпом ^ = тпор фиксируются граничные значения увх пор1 и

увхпор2 (рис. 1), что в свою очередь позволяет ввести для ИС показатель интервальной

оценки информационной эффективности — полоса пропускания ИС по входному трафику

ПУ

Аналогичным образом определяются полосы пропускания по транзитному трафику и временной задержке ПЯ{т ) и ПТ ] ) соответственно [8].

На основе представленной системы показателей и введенного критерия информационной эффективности в работе предлагается методика алгоритмической адаптации.

Методика организации алгоритмической адаптации в ИС. Как было отмечено выше, достаточно слабо исследованной и проработанной остается задача методического обеспечения процессов адаптации на сетевом уровне функционирования ИС. Особенно остро встает вопрос реализации методики адаптации на алгоритмическом уровне, который наиболее широко затрагивает процессы управления основными сетевыми параметрами,

процедурами и алгоритмами работы ИС [6]. Под методическим обеспечением алгоритмической адаптации в ИС будем понимать совокупность подходов, использующих новые показатели оценки информационной эффективности и регламентирующих применение адаптации, способов оценки и моделей адаптации, а также определяющих содержание и порядок выполнения операций, для обеспечения повышения эффективности ИО в сети и поддержания ее на заданном уровне в соответствии с системными требованиями.

С учетом выбранных показателей и критерия оценки информационной эффективности ИС, анализа процедур алгоритмического уровня адаптации [3—6] предлагается методика алгоритмической адаптации, реализующая системный подход к адаптации в ИС на сетевом уровне ЭМВОС. Суть методики алгоритмической адаптации заключается: в принятии решения на реализацию процедур алгоритмической адаптации на основе оценки текущего состояния ИО в сети; в контроле соответствия текущего состояния ИС при работе алгоритмической адаптации заданным требованиям, определяемым сформированным критерием; в обеспечении и поддержании близкого к оптимальному состояния ИС, исходя из условий функционирования и технических возможностей сети.

Предлагаемая методика алгоритмической адаптации включает следующие этапы:

1. Анализ априорных данных о текущем состоянии сети и результатов работы параметрической адаптации. Принятие решения о необходимости включения алгоритмической адаптации на основе системного подхода и новых обобщенных показателей информационной эффективности ИС.

2. Оценка текущего состояния ИО сети с использованием значения КПД передачи информации и получение его зависимости от величины входного трафика т]ИС (у} вх).

3. Уточнение полученной текущей оценки информационной эффективности в ИС с учетом воздействия помех (^помг-, выражение (4)).

4. Определение соответствия текущего состояния ИО сети заданным требованиям, исходя из выбранного критерия эффективности — порогового значения КПД передачи информации (цпор, выражение (6)).

5. Принятие решения на реализацию процедур алгоритмической адаптации с использованием значений Ппор , ^ ПЧПтр) и ПТ ).

6. Определение направления, шага изменения параметров алгоритмической адаптации и выбор их оптимальных значений для обеспечения требуемого качества ИО (Л/вх —

процедуры управления входным трафиком; Умарш — алгоритма (варианта) маршрутизации; регулировок в допустимых пределах, определяемых условиями функционирования и техническими возможностями, основных сетевых параметров: временной задержки Тзад, длины

пакета Lnак и пропускной способности каналов Скан);

7. Поддержание оптимального состояния ИО в сети г/'пом > т]пор с обеспечением

максимального эффекта от использования механизмов алгоритмической адаптации, повышение устойчивости сети к изменениям входного трафика и воздействию помех.

В обобщенном виде методику алгоритмической адаптации можно наглядно представить в виде структурной схемы на рис. 2. Работа методики начинается с выбора варианта модельного отображения ИО в сети. Предлагается использование двух подходов к построению модели ИС: нетрадиционная тензорная аналитическая модель и общеизвестная имитационная модель на основе систем массового обслуживания (СМО).

Реализация первой из них приводит к моделям идеальной ИС с заданными параметрами (для вычисления полной кибернетической мощности ИС РИдС ) и подразделенной модели связной ИС с процедурами адаптации (совмещающей физическую и потоковую структуры сети), которая для текущего состояния ИО в сети позволяет найти основные сетевые

параметры и, в конечном счете, вычислить значение реальной кибернетической мощности сети Рис . На основе полученных результатов осуществляется определение КПД передачи информации ИС г]ИС 1 и его уточненного значения с учетом воздействия помех г/пом 1.

Параллельно во второй модели осуществляется сбор статистических данных о функционировании сети в процессе ИО (на основе общепринятого подхода с использованием СМО), которые обрабатываются в аналитическом блоке и используются при определении показателей информационной эффективности ИС ( г)ИС {, г]пом 1).

Важнейшим элементом методики, своеобразным инструментом управления и принятия решения являются: сравнительный анализ результатов работы имитационной и аналитической тензорной моделей по значению обобщенного показателя г)пом 1 (обеспечивающего проверку достоверности результатов моделирования), а также проверка соответствия текущего состояния ИС заданному критерию эффективности в виде значения г/пор

(из базы данных контроллера ИС). В результате реализации этого этапа принимается обоснованное решение на включение в работу процедур алгоритмической адаптации или продолжение дальнейшего функционирования ИС при текущих сетевых параметрах, алгоритмах и процедурах с выдачей контрольной информации на уровень структурной адаптации

(ЛИС1 ,Ппомг , П7(Л„,р V ПЛ(Л„,р) и ПТ (Л„,р Д

Рис. 2. Структурная схема реализации методики алгоритмической адаптации

Процедуры алгоритмической адаптации охватывают все три основных направления адаптивного управления на сетевом уровне согласно ЭМВОС [6], а именно: изменение алгоритмов маршрутизации Умарш, использование процедуры управления

входным трафиком увх и регулирование основных сетевых параметров (Тзад, LnaK и Скан) с целью обеспечения оптимального соотношения между ними. Все перечисленные процедуры алгоритмической адаптации достаточно просто (в той или иной степени) реализуются в принятых моделях ИС. После чего процесс оценки текущего состояния ИС значением обобщенного показателя rnoM i повторяется уже при «новых» значениях параметров ИО. Последовательные итерации процедур адаптации с контролем получаемых результатов и проверкой выполнения критерия rnoM i > rnop позволяют

обеспечить поддержание оптимального состояния ИО в сети с достижением максимального эффекта от использования алгоритмической адаптации, а также повышение устойчивости работы сети к изменениям входного трафика и помеховой обстановки.

Предлагаемая методика позволила сформировать модели адаптивного управления основными сетевыми параметрами и процедурами ИС к изменяющимся условиям ИО и помеховой обстановки в реальном масштабе времени.

Модели алгоритмической адаптации в ИС. Модели оценки эффективности информационного обмена в ИС с реализацией основных элементов методики адаптивного управления выполнены программно в виде управляемых изменений алгоритмов, процедур сетевого уровня согласно ЭМВОС и определения соотношений между основными сетевыми параметрами с учетом влияния помех. Аналитические модели разработаны в среде программирования Delphi 7 с использованием при определении основных параметров исследуемых ИС математического аппарата тензорной методологии. Имитационные модели выполнены в среде GPSS/PC на основе традиционного математического аппарата теории

СМО, их особенностью является наличие аналитического блока для вычисления введенных показателей оценки и критерия информационной эффективности ИС.

Работоспособность моделей была проверена на двух структурах ИС (мобильных цифровых радиосетей со стандартными исходными данными) типа «двойная звезда» и «дерево» (с элементами ячеистой топологии), характерных для систем связи и управления военного назначения, реализующих принцип иерархичности.

На рис. 3 для ИС со структурой типа «двойная звезда» и рис. 4 с топологией «дерево» (с элементами ячеистой структуры) соответственно представлены результаты моделирования работы алгоритмической адаптации при ИО в условиях изменяющейся высокой входной нагрузки и сложной помеховой обстановки.

Как показывают проведенные исследования, максимальный выигрыш от использования алгоритмической адаптации достигается при изменении алгоритма маршрутизации ^марш в моделях ИС. Анализ результатов моделирования показал, что использование

наиболее сложного алгоритма маршрутизации с учетом нагрузки на трех кратчайших путях в направлении адресата дает наибольший эффект от применения адаптации (графики 5), при этом КПД возрастает на величину до 15% при расширении полосы пропускания до 3,5 раз при более высоком значении входного трафика увх. Чуть худший результат (до 12%) дает использование алгоритма маршрутизации, основанного на определении кратчайших путей с единичным захватом (графики 4), однако использование алгоритма позволяет принимать в ИС больше входного трафика по сравнению с использованием процедуры управления увх (графики 3) вследствие обеспечения распределения внутрисетевых потоков.

Наименьший эффект адаптивного управления наблюдается при регулировании основных сетевых параметров (графики 2) относительно первоначальных значений (графики 1).

Таким образом, результаты моделирования показали работоспособность разработанной методики адаптации ИС к изменяющимся условиям ИО и помеховой обстановки, которые позволяют обеспечить повышение и поддержание требуемой эффективности ИО, имеют важное значение для построения и развития ИС, а также выполнения ими требований, предъявляемых к ИО. При этом для нахождения предложенных показателей может быть использован как традиционный подход с использованием моделей СМО и имитационного моделирования, так и методика расчета основных сетевых параметров ИС, основанная на аналогиях с процессами в электрических цепях и тензорной методологии Г. Крона с приложениями ее к теории систем. Последний подход учитывает в едином решении физическую (статическую) структуру сети, состоящую из совокупности КС и УК, а также информационную (динамическую) топологию, определяемую множеством информационных потоков, циркулирующих в процессе ИО [7, 8].

а)

б)

Рис. 3. Результаты работы моделей алгоритмической адаптации в ИС с топологией «двойная звезда»

а)

б)

Рис. 4. Результаты работы моделей алгоритмической адаптации в ИС с топологией «дерево»

Разработанная методика и модели в виде программного обеспечения могут быть практически использованы при реализации контроллера системы мониторинга и

управления работой ИС в процессе ИО. В настоящее время ведутся работы по созданию опытного образца контроллера.

Учет при формировании оценки параметра помехоустойчивости позволяет своевременно реагировать на изменения помеховой остановки путем распределения сетевых ресурсов или применением мер повышения помехоустойчивости. По итогам работы, основываясь на результатах проведенных исследований, могут быть сформулированы конкретные практические рекомендации по применению вариантов структурного построения ИС в зависимости от значений параметров ИО и условий помеховой обстановки. Эти рекомендации и результаты работы моделей могут быть использованы для организации и обеспечения работы процедур алгоритмической адаптации ИС в реальном масштабе времени.

Заключение. 1. Рассмотрены особенности реализации адаптации в современных ИС, типовой подход параметрического управления основными параметрами канального уровня. Сделан вывод о необходимости алгоритмической адаптации на основе обобщенного (системного) параметра, предложено при повышенной информационной нагрузке применение системы универсальных показателей, в основе которых лежит обобщенный параметр — кибернетическая мощность, позволяющая определить КПД передачи информации ИС, как показатель для решения задач оценки информационной эффективности и алгоритмической адаптации.

2. Для уточнения значения КПД при сложной помеховой обстановке с учетом принятых допущений использован общеизвестный параметр помехоустойчивости — логарифм вероятности ошибки приема одиночных элементарных посылок. Для уточненного значения КПД передачи информации ИС с учетом воздействия помех обоснован и введен критерий адаптации в виде порогового значения КПД Тпор. При этом для

оценки качества работы алгоритмической адаптации в ИС предложены универсальные показатели интервальной оценки информационной эффективности — полосы пропускания ИС по входному, транзитному трафикам и временной задержке.

3. Разработанная методика адаптации ИС к изменяющимся условиям ИО и поме-ховой обстановки реализует системный подход к алгоритмической адаптации в ИС на сетевом уровне ЭМВОС, определяет основные этапы адаптации и их функциональное назначение для достижения цели адаптации. Это, в свою очередь, позволяет на уровне алгоритмической адаптации своевременно реагировать на изменения входного трафика и помеховой обстановки, прогнозировать и определять меры, направленные на повышение информационной эффективности ИС (путем выделения дополнительного сетевого ресурса или проведением мероприятий по обеспечению требуемой помехоустойчивости ИО).

4. Разработанные для исследуемых вариантов топологий ИС имитационные и аналитические модели ИО с процедурами алгоритмической адаптации позволяют выбрать наиболее эффективные процедуры управления входным трафиком Лувх, маршрутизации Умарш и определить соотношения между основными сетевыми параметрами (Тзад, Lпак и Скан), обеспечивающие переход из нежелательного состояния ИС (ниже Тпор ) в состояние, близкое к оптимальному ( « ттах) для текущих условий работы сети.

Расхождения в оценках по данным имитационного и аналитического моделирования не превысили величины 3%. При этом удалось добиться повышения КПД передачи информации на величину 5—15% при расширении полосы пропускания сети по входному трафику в 1,4—3,5 раз. Моделирование ИО в условиях изменения входного трафика и воздействия помех доказало реализуемость, работоспособность предложенной методики адаптации и достоверность получаемых на ее основе результатов.

5. Таким образом, организация управления основными параметрами и процедурами сетевого уровня работы ИС на основе циклов оценивания по предложенным показателям и

критерию информационной эффективности позволяет обеспечить повышение и поддержание требуемой эффективности ИО, имеет важное значение для построения и развития ИС, а также выполнения ими требований, предъявляемых к ИО. Максимальная информационная эффективность ИС, исходя из комплексного характера показателя, достигается при обеспечении наибольшего значения КПД передачи информации для заданного показателя помехоустойчивости или максимальной помехоустойчивости при заданном КПД с учетом возможностей сети по передаче и хранению информации. Разработаны предложения по практической реализации разработанной методики и программного обеспечения для алгоритмической адаптации к изменяющимся условиям ИО и помеховой обстановки в работе контроллера системы мониторинга и управления ИС в реальном масштабе времени.

ЛИТЕРАТУРА

1. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. — М. : Мир, 1979. — 600 с.

2. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных : пер. с англ. — М. : Мир, 1989. — 544 с.

3. Пасечников И. И. Методология анализа и синтеза предельно нагруженных информационных сетей : монография. — М. : Машиностроение-1, 2004. — 216 с.

4. Межуев А. М. Тензорные методы в теории оценки информационной эффективности и анализа элементов цифровых радиосетей : монография. — Тамбов : ИНТЕГРАЦИЯ, 2008. — 262 с.

5. Патент 2602347, МПК Н04L29/00 Способ оценки эффективности информационного обмена системы связи / Межуев А. М., Родзевич А. И., Пасечников И. И., Роза А. Н., Коновальчук Е. В. (РФ) // № 2015132753/08. — Заявл. 05.08.2015; Опубл. 20.11.16, Бюл. № 32.

6. Межуев А. М. Совместное решение задач алгоритмической и структурной адаптации в инфокоммуникационных системах // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. — С.-Пб., 2015. — Т. 7, №6. — С. 36—43.

7. Межуев А. М., Роза А. Н., Коновальчук Е. В. Алгоритм адаптивного управления в автоматизированной системе декаметровой радиосвязи // Радиотехника : журнал в журнале «Радиосистемы». Вып. 207: Формирование и обработка многомерной информации. — М., 2016. — № 10. — С. 178—188.

8. Межуев А. М., Родзевич А. И., Пасечников И. И. Способ интервальной оценки информационной эффективности цифровых радиосетей // Вестник Тамбовского университета. — 2015. — Т. 20. — Вып. 4. — С. 867—871.