Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний авіаційний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.13.05 - Комп'ютерні системи та компоненти

Метод підвищення продуктивності безпровідних комп'ютерних мереж на основі міжрівневої взаємодії

Дуднік Андрій Сергійович

Київ 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі комп'ютерних систем та мереж Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Печурін Микола Капітонович, Національний авіаційний університет, професор кафедри комп'ютерних систем та мереж.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Зайченко Юрій Петрович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, декан факультету ННК ІПСА;

кандидат технічних наук, доцент Баклан Ігор Всеволодович, Національна академія управління, завідувач кафедри інтелектуальних систем.

Захист відбудеться «03» червня 2011 р. 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.07 Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий «30»квітня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.П. Мартинова

1. Загальна характеристика роботи

безпровідний мережа якість

Актуальність теми. В силу ряду об'єктивних причин, в тому числі і географічних особливостей, одним із суттєвих показників розвитку народного господарства визначено існування сучасної інформаційно-телекомунікаційної інфраструктури: сучасної системи телекомунікацій і побудованих на них комп'ютерних систем і мереж. Серед різноманітних класів комп'ютерних систем і мереж особливе місце займають мережі, транспортна служба яких побудована на використанні радіоефіру в якості середовища передачі даних (безпроводові мережі). Прийнято й реалізується ряд програм по забезпеченню створення такого роду об'єктів. Одним з видів такого забезпечення є створення наукових основ побудови продуктивних безпроводових мереж на основі модифікації існуючої класичної еталонної моделі взаємодії відкритих систем (ЕМ OSI/ISO), згідно з якою проектуються, створюються і експлуатуються більшість безпроводових мереж.

Питанням дослідження безпроводових мереж, в тому числі і дослідженням технологій підвищення їх продуктивності, присвячено роботи сучасних вчених Буніна С.Г., Виноградова М.А., Вишневського В.І., Жукова І.А., Зайченка Ю.П., Ільченка М.Є., Оліфера В.Г, Уривського Л.О., а також роботи Геєра Д., Ірвіна Дж., Ліері Дж., Рошана П., Столлінгса В., Харля Д. та ін.

Безпроводові комп'ютерні мережі є відносно новим типом комп'ютерних систем, які використовуються в народному господарстві і в об'єктах спеціального призначення; вони характеризуються різнотипністю і великою щільністю інформаційного трафіку, що передається в умовах потужного потоку завад, неоднорідною структурою і великою кількістю інтегрованих мережевих засобів із обмеженою пропускною здатністю.

В дисертаційному дослідженні розглядаються системи, які використовують діапазони радіочастот, що не ліцензуються, типовим представником яких є мережі діапазону ISM.

Особливістю об'єкта дослідження є протиріччя між високими вимогами до показників QoS на верхніх рівнях ЕМ OSI/ISO і реально дуже обмеженими значеннями показників нижніх рівнів, які утворюють транспортну службу безпроводової комп'ютерної мережі.

Іншою особливістю безпроводових комп'ютерних мереж є обмеженість обчислювальної можливості абонентських систем, що обумовлено вимогою до їх мобільності.

Реальне значення продуктивності, спроможності підтримувати відповідні показники QoS безпроводової комп'ютерної мережі, залежить від вибраних стратегій (технологій) підготовки даних і передавання їх в радіоефірі. В разі вибору неефективної стратегії в мережі, що використовує радіоефір, можливе перевантаження і, як наслідок, зростання кількості пакетів, переданих з помилками, що створює додаткові перешкоди в радіоканалі.

Класичні методи підвищення продуктивності передавання даних, основані на буферизації, організації потоку сигнальних повідомлень для регулювання швидкості передавання даних та використанні вікон, не є достатніми в умовах обмеженої пропускної здатності каналів передавання сигналів: маємо знайти інші способи підвищення продуктивності безпроводових комп'ютерних мереж.

Таким чином, тема даної дисертаційної роботи, присвяченої розробці методів підвищення продуктивності безпроводових комп'ютерних мереж, є актуальною і являє собою науковий і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. . Дисертаційна робота виконувалась у рамках науково-дослідної роботи Національного авіаційного університету (НАУ) №392-ДБ07 «Методи та засоби визначення атак на комп'ютерні системи на базі аналізу та прогнозування трафіку як динамічної хаотичної послідовності в тензорному нейромережевому базисі» (номер державної реєстрації 010U002816) у період 2007 - 2010 р. р.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методу, що дозволить підвищити продуктивність безпроводових мереж, які побудовані згідно з еталонною моделлю взаємодії відкритих систем за рахунок модифікації міжрівневої взаємодії.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі необхідно вирішити такі завдання:

- аналіз структури сучасних безпроводових мереж та технологій передавання даних, що в них а) використовується радіоефір безліцензійних диапазонів, б) для побудови закладено принципи ЕМ OSI/ISO, на предмет виявлення ступенів свободи покращання продуктивності сучасних безпроводових мереж, особливостей процесу передавання даних в безпроводових комп'ютерних мережах, а також вплив сторонніх чинників на процеси переробки і передавання даних;

- визначення переліку функцій мережевої системи управління (NMS) транспортуванням даних безпроводових комп'ютерних мереж;

- дослідження технології підвищення продуктивності передавання даних у безпроводових комп'ютерних мережах, що їх побудовано основі ЕМ OSI/ISO;

- дослідження технології передавання даних в безпроводових комп'ютерних мережах, що на фізичному рівні використовують методи розширення спектру;

- визначити способи підвищення продуктивності мережі при реалізації функцій системи управління: попереджень порушень техніко-експлуатаційних показників безпроводової мережі, моніторингу стану вузлів і помилок даних, актуалізації бази даних про фізичні та логічні елементи мережі, обслуговування абонентського інтерфейсу для повідомлень про стан мережі і абонентів;

- розробка процедур взаємодії рівнів у безпроводових комп'ютерних мережах, що покращують показники якості сервісу.

Об'єкт дослідження - технологія транспортування даних в комп'ютерних мережах і системах управління комп'ютерних мереж, побудованих на безпроводових технологіях та згідно з ЕМ OSI/ISO.

Предмет дослідження - методи покращання технологій транспортування даних в комп'ютерних мережах, побудованих на безпроводових технологіях і згідно з моделлю OSI/ISO за критерієм продуктивності.

Методи досліджень. Теорія ймовірностей та математичної статистики, теорія масового обслуговування, елементи теорії прийняття рішень, імітаційне моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів. Визначається наступними положеннями:

- вперше розроблено інструментарій імітації роботи безпроводових комп'ютерних мереж для включення в систему управління мережею з метою підвищення її продуктивності, зокрема при реалізації функції виявлення і ліквідації порушень техніко-експлуатаційних показників служби транспортування даних, що відрізняється підвищеною швидкодією за рахунок включення інструментальних модулей із зменшеною ступінню адекватності;

- вперше для системи управління безпроводовою комп'ютерною мережею розроблено інструментальну систему імітаційного моделювання (ІМ) процесів передавання даних, що відрізняється від існуючих включенням ефективних засобів ІМ із зниженою точністю представлення параметрів;

- удосконалено технологію безпроводового транспортування даних за рахунок перерозподілу, в рамках системи мережевого управління, функцій міжрівневої взаємодії в мережах, побудованих згідно з ЕМ OSI/ISO, що дає змогу підвищити продуктивність NMS і мережі в цілому за рахунок скорочення кількості ітерацій перетворення даних;

- удосконалено алгоритми реалізації функції попередження перенавантаження безпроводової комп'ютерної мережі за рахунок додавання до існуючих способів буферизації, використання вікон та потоків повідомлень зниження швидкості передавання даних, способу резервування розширеної полоси пропускання, зокрема для мереж короткого радіусу дії.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені методи підвищення продуктивності системи транспортування даних в безпроводових комп'ютерних мережах можуть бути застосовані при модернізації апаратно-програмного забезпечення засобів управління мережею, а також відповідних систем операційної підтримки.

Запропонована, на основі розробленого в роботі методу, модель структурної схеми пристрою може підвищити якість безпроводового передавання даних в зонах невпевненого прийому або з недостатньою завадостійкістю.

Отримані результати дисертаційної роботи впроваджені у навчальний процес на кафедрі комп'ютерних систем та мереж НАУ при викладанні дисциплін «Комп'ютерні мережі», «Комп'ютерне моделювання» і «Основи автоматизованого проектування засобів обчислювальної техніки», що підтверджено відповідним актом про впровадження.

Особистий внесок здобувача. Основні результати отримані здобувачем самостійно. У роботах, написаних та опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить: [1] - модель безпроводової мережі Блютуз; [2] - модель інфрачервоного передавання даних, [3] - метод підвищення ефективності при передаванні даних, [4] - модель безпроводової мережі, що використовує FHSS; [5] - розробка моделей алгоритмів обслуговування черг безпроводової мережі; [6] - порівняльний аналіз методів моделювання безпроводових мереж, [7] - модель безпроводової мережі з шинною топологією, [8] - концепція порівняльного аналізу; [10] - моделі стандартів IEEE 802.11, [11] - моделі управління безпроводовим передаванням даних, [12] - моделі на основі універсального засобу імітаційного моделювання; [13] - модель розподілу заявок при інфрачервоному передаванні даних, [14] - пристрій покращення якості безпроводового передавання даних, [15] - метод підвищення точності передавання даних безпроводових комп'ютерних мереж, [16] - модель мережі на основі технології FHSS.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на наукових семінарах кафедри комп'ютерних систем та мереж Інституту комп'ютерних технологій Національного авіаційного університету (м. Київ 2006 - 2010р.). Основні положення роботи доповідалися на міжнародних та регіональних конференціях, а саме: VII, VIII Міжнародній науковій конференції студентів, аспірантів та молодих учених «Політ» (Національний авіаційний університет, Київ, Україна, 2007 р., 2008 р.); VIII, X Міжнародній науково-технічній конференції «АВІА» (Національний авіаційний університет, Київ, Україна, 2007 р., 2009 р.); І, ІІ, ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції «Комп'ютерні системи та мережні технології» (Національний авіаційний університет, Київ, Україна, 2008 р., 2009 р., 2010 р.), ІІ Міжнародній науково-технічній конференції «Інтегровані інтелектуальні робото-технічні комплекси» (Національний авіаційний університет, Київ, Україна, 2009 р.), ІІ Міжнародній науково-практичній конференції «Інформаційна освіта та професійно-комунікативні технології ХХІ століття» (Національний політехнічний університет, м. Одеса, Україна, 2009 р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Актуальные проблемы информационно-компьютерных технологий, мехатроники и робототехники» (Науково-дослідний інститут багатопроцесорних обчислювальних систем імені академіка А.В.Каляєва Південного федерального університету, м. Таганрог, Російська федерація, 2009 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 16 наукових працях, серед яких 5 - у наукових фахових виданнях України [1 - 5], 11 - у матеріалах конференцій [6 - 16].

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота, що викладена на 139 сторінках друкованого тексту, складається зі вступу, чотирьох розділів і висновків, викладених на 120 сторінках основного тексту, списку використаних джерел із 109 найменувань та додатків. Дисертаційна робота містить 36 рисунків, 28 таблиць, 4 додатка, 1 акт про впровадження.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність обраної теми, запропоновано методику наукового дослідження, сформовано мету і завдання роботи, зазначено практичну цінність, наукову новизну, показано зв'язок роботи з науковими темами, планами, програмами, наведено відомості про апробацію результатів та їх впровадження.

Перший розділ має на меті, на основі (системного) аналізу безпроводових технологій комп'ютерних мереж, визначити «ступіні свободи ричагів», за допомогою яких піднімається продуктивність цього класу мереж. При цьому серед усіх типів безпроводових комп'ютерних мереж вибрано такі, що відповідають наступним допущенням:

1. безпроводова комп'ютерна мережа організована за вимогами (положеннями) ЕМ OSI/ISO;

2. транспортна служба безпроводової комп'ютерної мережі використовує середовище передачі даних, що його окреслено діапазоном промислових, наукових і медицинських застосувань (ISM).

У розділі проаналізовано основні технології передавання даних у безпроводових комп'ютерних мережах, зокрема функції систем управління мережею (NMS), класифіковані існуючою універсальною еталонною моделлю взаємодії відкритих систем. Розширений набір узагальнених функцій NMS в безпроводових мережах є таким:

- створення інтегрованої системи попереджень порушень техніко-експлуатаційних показників безпроводової мережі;

- створення інтегрованої системи моніторингу стану вузлів і помилок даних;

- створення і актуалізація бази даних про фізичні та логічні елементи мережі;

- обслуговування абонентського інтерфейсу для повідомлень про стан мережі і абонентів;

- збір статистики про продуктивність елементів безпроводової мережі, а також про стан мережі та ланок даних;

- збір інформації про діяльність абонентів та видача повідомлень абоненту повідомлень про виявлені порушення повноважень;

- аналіз порушень і причин, що їх викликали;

- імітація роботи мережі і її фрагментів для вироблення рішень і перевірки факту усунення проблем;

- створення системи документування проблем безпроводової мережі;

- управління персоналом;

- формування звітів про продуктивність мережі з точки зору її абонентів;

- ведення рахунків за використання зовнішніх ресурсів системи транспортування даних;

- ведення захищеного журналу функціонування з'єднань.

Проведено порівняльний аналіз способів реалізації основних функцій в комп'ютерних мережах, що використовують радіоефір як середовище передачі даних.

З точки зору ЕМ OSI/ISO визначено рівні, що вони взаємодіють і становлять першочерговий інтерес для даного дослідження:

1. рівні еталонної моделі - сім рівнів (строго ієрархічна організація) ;

2. підсистема транспортування даних, яка обіймає канальній рівень, підрівень управління логічним каналом (LLC), підрівень управління доступом до середовища (MAC) та фізичний рівень;

3. рівні типу рівня фізичних радіосигналів, рівня базового діапазону частот, рівня управління, L2CAP та подібних суміжних.

Згадані рівні, як і всі інші, мають визначені показники ефективності, що їх об'єднано в список показників якості сервісу QoS. Як це було запропоновано раніше в роботах по проектуванню систем пакетного радіозв'язку, цей набір доцільно доповнити показниками вартості реалізації відповідних функцій. Окреслено перелік показників, що їх доцільно використати для оцінки ефективності функціонування канального і фізичного рівнів безпроводових комп'ютерних мереж.

Маємо для нашого об'єкту такі показники ефективності:

1. пропускна спроможність;

2. транзитна затримка;

3. захист з'єднання;

4. пріоритет з'єднання;

5. коефіцієнт невизначених помилок;

6. надійність з'єднання;

7. частота появи помилок;

8. доступність сервісу;

9. швидкість передачі;

10. параметри вартості.

Пропонується для оцінки ефективності безпроводових комп'ютерних мереж і їх компонентів використовувати показник продуктивності. В межах даного дослідження під показником продуктивності розуміємо величину пропускної спроможності або зворотну величину сподіваного значення транзитної затримки.

На основі досліджень доступної науково-технічної літератури окреслено недоліки та ступені свободи для підвищення вибраного показника продуктивності в існуючих технологіях безпроводового передавання даних. Виділено дві базові складові ресурсу середовища передачі даних в системі транспортування безпроводових комп'ютерних мереж, що істотно впливають на продуктивність:

1. ширина полоси пропускання частотного діапазону, що його використовує безпроводова комп'ютерна мережа;

2. довжина часового інтервалу, що виділяється для передачі всієї або частини інформаційної одиниці (PDU, біт, кадр).

З погляду на базові складові головною прагматичною задачею даного дисертаційного дослідження є покращення продуктивності безпроводових комп'ютерних технологій з урахуванням наведених ресурсних обмежень середовища передачі даних.

Другий розділ дисертації має на меті, на основі аналізу всього доступного інструментарію дослідження окресленого в попередньому розділі об'єкту, визначитись по двом питанням:

1. яким повинен бути набір інструментарію імітації роботи мережі і її елементів, щоб використати «ступінь свободи» ричага підняття продуктивності «наявність в NMS адекватного інструменту імітації роботи мережі»?;

2. якого типу імітаційні системи доцільно використовувати для перевірки пропозицій стосовно використання інших «ступенів свободи» в подальших розділах дисертаційного дослідження?

У розділі розглянуто основний, найбільш відомий інструментарій з точки зору його застосування для об'єктів рівнів, визначених у першому розділі.

Запропоновано використовувати для цього наступні ознаки:

- область використання (рівень, підрівень, функції конкретного протоколу) ;

- облік в моделі часового чинника (статичні, динамічні);

- параметри способу представлення моделей (форма, точність, витрати, відношення витрати/точність).

За ознаками витрати та точність пропонується використати таку ієрархію (впорядкування з підвищенням точності опису об'єкту і відповідно витрат на використання інструментарію):

1. множини та відношення;

2. алгебри;

3. графи та мережі;

4. автомати;

5. математичне програмування;

6. теорія масового обслуговування;

7. універсальний інструментарій імітаційного моделювання;

8. спеціалізований інструментарій імітаційного моделювання.

В розділі проведено аналіз похибок при використанні універсального засобу імітаційного моделювання при дослідженні окреслених у другому розділі об'єктів безпроводових комп'ютерних мереж.

На основі отриманих результатів порівняння, з використанням сформованого набору показників ефективності існуючого інструментарію імітаційного моделювання, на базі методу аналітичної ієрархії (АНР), обґрунтовано застосування універсальних систем імітаційного моделювання в NMS як засоба імітації роботи безпроводових комп'ютерних мереж, для виявлення ліквідації порушень техніко-експлуатаційних показників служби транспортування даних. Склад системи моделей імітаційного моделювання процесів транспортування даних відрізняється від існуючих, такого ж призначення, засобів системи управління безпроводовими мережами включенням ефективних (швидких) засобів імітаційного моделювання із зниженою точністю представлення системи транспортування даних;

Основним припущенням при цьому висунуте (можливе) недотримання ієрархічного принципу міжрівневої взаємодії, іншими словами, припускається можливість перерозподілу функцій між рівнями і підрівнями системи транспортування даних, зокрема, - в частині підсистеми управління комп'ютерною мережею.

Третій розділ має на меті, на основі вибору, що його зроблено в попередньому розділі, розробити інструментальні засоби для перевірки можливостей використати ступені свободи ричагів підняття продуктивності, що їх було окреслено в першому розділі (за винятком ступеня свободи, вже використаного в другому розділі).

У розділі представлено типові концептуальні імітаційні моделі (КІМ), розроблені з допомогою інструментарію, вибраного в другому розділі, для об'єктів, що їх окреслено в першому розділі дисертаційного дослідження і з метою підвищення продуктивності безпроводової комп'ютерної мережі.

З погляду класифікації ЕМ OSI/ISO описувалися як ЕМ в цілому, так і окремо нижні рівні (транспортування даних).

КІМ простого варіанту розподіленої мережі з багатьма розгалуженнями (типу «скатернет») представлена відкритою (незамкнутою) багатофазною системою масового обслуговування.

КІМ обміну між двома вузлами (slave - master - slave) і при передаванні усередині кожної окремо взятої (піко)мережі містить такі складові:

1. генерування моменту появи інформаційного біту (PDU, транзакт) для передачі із підлеглої станції (slave, S);

2. генерування моменту появи завади в полосі ISM;

3. затримка транзакту в пристрої кодування і модуляції;

4. захоплення завадою фіксованої частоти (частот) в діапазоні ISM;

5. затримка транзакту в пристрої кодування і модуляції;

6. затримка транзакту в пристрої декодування і демодуляції;

7. фіксація моменту отримання біту (PDU, транзакту) в головній станції (master, M)

8. надсилання до S інформації про прийнятий в М біт;

9. прийняття в S рішення і реалізація повторного надсилання біту до М;

10. реалізація передавання біту (PDU) від М до станції-абоненту за етапами, подібними 2-9;

11. генерування моменту появи нового інформаційного біту (PDU, транзакт) для передачі із підлеглої станції (slave, S).

Припущеннями для представлення універсальними засобами ІМ даної технології є наступні:

1. метод організації мережі - структурована, через АР (через М в пікомережі, через точку доступу в мережі ІЕЕЕ 802.11);

2. метод доступу - TDD, розширення спектру FHSS;

3. метод розширення спектру - скачкоподібна перебудова частоти за псевдо випадковим законом;

4. базові значення параметрів технології розширення спектру - 1600 скачків\с, 79 фіксованих частот в інтервалі 2,4 - 2,48 Мгц;

5. три класи потужності передавача (впливають на ймовірність появи завади при передачі біту і відповідного зменшення до нуля продуктивності поточної фіксованої полоси);

6. інформаційне навантаження на порядок нижче розрахункового максимального значення (низька ймовірність появи двох і більшого числа інформаційних одиниць в середній часовий інтервал обробки).

7. при організації пікомереж головний пристрій М передає біти в непарні моменти часу, а підлеглий пристрій S - у парні.

8. при організації пікомереж система має ієрархічну будову адже пристрій, який для окремої ділянки мережі є головним, для іншої ділянки може бути підлеглим.

Транзакт, що є неподільним об'єктом в системі ІМ загального призначення, породжувався бітом, що переміщується в скатернет від джерела інформації до споживача.

Елементарною КІМ в третьому розділі прийнято однофазову відкриту СМО з відмовами класу G\G\1, що дозволяє оцінити (статистично) продуктивність фіксованого частотного піддіапазону, що піддається впливу потоку завад.

Першим узагальненням є одноканальна замкнена СМО з очікуванням, що дозволяє оцінити (статистично) продуктивність технології виду РРР (S-M). Потік завад представляється детермінованим, Пуасонівським, n-ранговими Ерланга.

Розглянуті вище КІМ можуть бути застосовані і для статистичної оцінки продуктивності безпроводових систем, що працюють в інфрачервоному диапазоні.

Наступним узагальненням є двофазна, одноканальна в кожній фазі, відкрита (незамкнена) СМО, що дозволяє оцінити статистичну продуктивність технології передачі за схемою S - M - S, тобто через АР в структурованій мережі.

Наступним узагальненням є двофазна, двоканальна в кожній фазі, відкрита (незамкнена) СМО, що дозволяє оцінити статистичну продуктивність технології передачі за схемою S - M - S, тобто через АР в структурованій мережі і з розширенням ISM - діапазону.

Наступним узагальненням є двофазна, типу G\G\n в кожній фазі, відкрита (незамкнена) СМО, що дозволяє оцінити статистичну продуктивність технології передачі за схемою S - M - S, тобто через АР в структурованій мережі і з n-кратним розширенням базового, існуючого в практиці сучасних безпроводових мереж, ISM-діапазону.

Для підвищення адекватності останньої КІМ, розробленої за допомогою імітаційної системи загального призначення, черги визначаються з різними дисциплінами - FIFO або по схемі динамічних пріоритетів.

Універсальна система ІМ забезпечує збір і статистичну обробку даних про транзакти, затримані в кожній точці, а також інтенсивності потоків завад. Потік завад для всіх КІМ є Пуасонівським, n-ранговими Ерланга і детермінованим. Час заняття полоси завадою є детермінованим, розподіленим рівномірно, по експоненційному, нормальному законах. Завада має абсолютний пріоритет в обслуговуванні, перерваний інформаційний символ не поновлюється.

Експериментальне дослідження даної КІМ проведене за допомогою універсального інструментального засобу ІМ при 106 прогонів.

У результаті ІМ отримано параметри роботи мережі, зокрема затримка в чергах каналу передавання для обох пристроїв, що дозволило оцінити продуктивність мережі.

Розглянуто КІМ відповідної структури, у яких застосовувались різні дисципліни управління чергами, що застосовуються у стандартах систем з АР:

- FIFO,

- пріоритетне обслуговування.

Проведене дослідження з метою порівняльної характеристики між цими алгоритмами за наступними критеріями:

- продуктивність системи передавання комп'ютерної мережі;

- максимальна швидкість передавання даних;

- дальність передавання даних.

Четвертий розділ має на меті проведення експериментальних досліджень КІМ, що їх синтезовано у попередньому розділі, на предмет перевірки можливості підвищення продуктивності безпроводових мереж.

Досліджено розроблені в третьому розділі КІМ безпроводової мережі і її складових. Результати мають такий характер (рис. 1).



Рис. 1 Графік залежності пропускної спроможності каналу передавання від часу затримки на обробку

Стандартну смугу частот було розширено на 80 МГц, відповідні зміни у характері залежностей представлено рис. 2.

Рис. 2 Графік залежності пропускної спроможності каналу передавання від часу затримки на оборобку при розширенні смуги частот

У підсумку даного розділу зроблений висновок, що продуктивність системи транспортування даних, що використовують FHSS, можна з достатнім рівнем довіри вважати лінійно залежною від обсягу резервування полоси за межами ISM.

Досліджено систему транспортування даних, що використовує інфрачервоний диапазон.

Дослідження четвертого розділу показали на можливість підвищення продуктивності безпроводових мереж шляхом зміни технології міжрівневої взаємодії, перерозподілу функцій, що їх класифіковано ЕМ OSI/ISO згідно її семи рівнів. Мається на увазі передача (в NMS) даних з вищерозташованих рівнів до одного з нижче розташованих ( і навпаки) , минаючи суміжні рівні.

Якщо на вищому рівні еталонної моделі, скажімо представницькому, сеансовому, основний потік даних потребує перетворення типу ASCII з подальшими перетвореннями (інкапсуляція, кодування і т. ін.) на транспортному, мереженому, канальному рівнях, то з точки зору підвищення продуктивності безпроводової мережі може бути доцільним символ прикладного рівня (без проміжних перетворень) використати як символ фізичного рівня при DSSS або FHSS. Іншими словами, запропоновано ввести

[бієктивне відображення]: [алфавіт прикладного рівня ] > [алфавіт фізичного рівня, породжений DSSS або FHSS ]

Виключення етапу реалізації функції формування символів фізичного рівня при DSSS або FHSS дозволяє зменшити витрати часу, пов'язаного з обробкою одного символу прикладного рівня у NMS (зокрема, при реалізації функцій інтегрованої системи попереджень порушень техніко-експлуатаційних показників безпроводової мережі, інтегрованої системи моніторингу стану вузлів і помилок даних, актуалізації бази даних про фізичні та логічні елементи мережі, обслуговування абонентського інтерфейсу для повідомлень про стан мережі і абонентів).

Даний спосіб застосовано також для підвищення продуктивності при транспортуванні даних на 1 - 3 нижніх рівнях, де дані про рівень (потужність) сигналу з фізичного рівня в NMS передається повз канальний рівень безпосередньо на мережевий.

Відповідну апаратну складову запропоновано встроїти в структурну схему пристрою безпроводового передавання даних. Цю апаратну складову (аналізатор якості сигналу 5) можна розглядати як свого роду пристрій зворотного зв'язку між додатками фізичного та мережевого рівнів ЕМ OSI/ISO, поза канальним (рис.3).

Рис. 3 Структурна схема пристрою передавання даних в безпроводових мережах із апаратною складовою підвищення якості роботи в зонах невпевненого прийому або з недостатньою завадостійкістю

Пристрій в цілому має модульну структуру, містить керуючий блок 1, що є частиною NMS, модуль мережевого рівня 2, модуль підрівня LLC канального рівня 3, блоку хост інтерфейсу 3.1, мікроконтролера 3.2, блоку додатку прийомо/передавача 3.3, блоку шинного інтерфейсу 3.4, пам'яті S, модулю підрівня MAC рівня 4, контролера смуги частот 4.1, радіочастотного прийомо/передавача 4.2, аналізатора сигналу 5, модуля фізичного рівня 6, інтерфейсу фізичного рівня 6.1, антени 6.2., блоку автоматичного налаштування частоти 7.

В модулі підрівня LLC через блок хост інтерфейсу 3.1, пройшовши відповідні перетворення, за допомогою додатків даного модуля, пакет стає фреймом. Після чого вбудований мікроконтролер 3.2 передає фрейм до блоку додатку прийомо/передавача 3.3 та через блок шинного інтерфейсу 2.4 записує дані про стан передавання до пам'яті S, де вони ще певний час зберігаються. Блок додатку прийомо/передавача 3.3 спрямовує фрейм до модуля підрівня 4.

В модулі підрівня MAC контролер смуги частот 4.1 підбирає для даного фрейму оптимальний діапазон частот, та спрямовує фрейм до радіочастотного прийомо/передавача 4.2. В даному модулі відбувається як перетворення фрейму у електромагнітні коливання та й їх модуляція відповідно до вмісту фрейму. Після цього коливання передаються до модулю фізичного рівня 6, а інформація про підібраний блоком 4.1 діапазон частот передається до блоку автоматичного налаштування частоти 7.

Блок 6.1 модулю фізичного рівня накладає електромагнітні коливання на частоту, яка налаштовується блоком 7. Коливання спрямовуються до антени 6.2, яка передає сигнал до радіоефіру.

Аналізатор сигналу 5 постійно відстежує інформацію про стан передавання даних. Він відсилає відповідні запити до інтерфейсу фізичного рівня 6.1 та отримує від нього інформацію про стан передавання даних. Інформацію про стан передавання даних аналізатор сигналу 5 передає до керуючого пристрою 1, після чого відбувається прийняття рішення про зміну умов передавання даних за необхідністю. Під прийняттям рішень розуміється очікування покращення стану якості сигналу (за правилами алгоритму) або збільшення його потужності за рахунок зменшення швидкості.

Продуктивність пристрою, яку було закладено в КІМ, відповідала PCR.

В результаті виявлено, що при зростанні навантаження в каналах передавання, час затримки бітів змінюється лінійно, покращується стійкість роботи мережі, значно зменшується ймовірність відсутності сигналу в зонах невпевненого прийому.

Висновки

1. Аналіз технологій транспортування даних в безпроводових мережах, що побудовані на принципах ЕМ OSI/ISO, зокрема видів кодування інформації, методів модуляції сигналу, а також конкретних реалізацій систем, що входять до складу тієї чи іншої безпроводової мережі показує, що сучасні безпроводові мережі є суттєво гетерогенними і використовують різноманітні підходи до підвищення показників QoS. Особливістю ЕМ OSI/ISO є виокремлення з канального рівня МАС і фізичного рівня з DSSS або FHSS.

2. Аналіз структури сучасних безпроводових мереж та технологій передавання даних, що в них використовується радіоефір безліцензійних діапазонів, і для побудови закладено принципи ЕМ OSI/ISO, виявив, що головною особливістю способів управління передаванням даних бездротових комп'ютерних мереж являється обмеженість пропускної спроможності системи та значний вплив завад і наявність перешкод в середовищі передавання даних. Проведене порівняння показало значне відставання основних параметрів продуктивності різного типу безпроводових мереж від мереж на основі кабелю і оптоволокна.

3. Знайдено ступені свободи систем і мереж із безпроводовим способом зв'язку, які вони мають для покращення показника продуктивності. Описано шляхи покращення параметрів роботи для кожного типу безпроводової мережі за допомогою використання даних ступенів свободи.

4. Визначено перелік функцій NMS транспортуванням даних безпроводових комп'ютерних мережах. Для пришвидчення виконання функцій моніторингу стану вузлів і помилок в даних, попереджень порушень техніко-експлуатаційних показників безпроводової мережі, визнано доцільним включити в NMS безпроводових мереж набір імітуючого інструментарію у складі: множини та відношення; алгебри та графи; математичне програмування; теорія масового обслуговування; універсальне імітаційне моделювання; спеціалізоване імітаційне моделювання; натурне моделювання технологій управління трафіком, класифікованих за ознакою точності опису об'єкту.

5. Визначено класифікаційні ознаки і показники ефективності інструментарію імітації безпроводових комп'ютерних мереж; виявлено, з використанням методу аналітичної ієрархії, що для підвищення швидкості реалізації ряду функцій (задач NMS) доцільно застосовувати універсальні засоби імітаційного моделювання.

6. Розроблено імітаційний інструментарій для складових безпроводових мереж на основі систем імітаційного моделювання загального призначення для опису технологій передавання даних з використанням різних типів дисциплін, що дозволяє пришвидшити реалізацію функції NMS попередження порушень техніко-експлуатаційних показників безпроводової мережі.

7. Побудовано КІМ безпроводових мереж, систем і елементів для включення в NMS з використанням різних алгоритмів управління чергами. Визначено, що модель передавання даних, основана на дисципліні зважених черг, є доцільною для використання при реалізацій функцій NMS .

8. Виявлено лінійну залежність показника продуктивності від розширення частотного діапазону мережі короткого радіусу.

9. Запропоновано метод підвищення продуктивності для безпроводових мереж, що функціонально об'єднує прикладний і фізичний рівні, а в іншому випадку - мережевий і фізичний рівні, що покращає продуктивність мережі, зокрема - в зонах невпевненого прийому.

10. Розроблено модель структурної схеми пристрою підвищення якості безпроводового передавання даних в зонах невпевненого прийому або з недостатньою завадостійкістю.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Дудник А.С. Универсальная модель компьютерной сети на основе технологии Блютуз / А.С. Дудник А.С., М.В. Варганич, И.А. Гладыш // Проблеми інформатизації та управління: зб. наук. праць. - 2008. - № 2 (24). - С. 57 - 60.

2. Дуднік А.С. Модель інфрачервоного трафіку / А.С. Дуднік, М. В. Варганич, О. М. Березовський // Електроніка та системи управління. - 2009. - № 2 (20). - С. 137 - 140.

3. Печурін М.К. Підвищення ефективності процедур керування телекомунікаційними системами в безпровідних комп'ютерних мережах / М.К. Печурін, А.С. Дуднік, М.В. Варганич, С.М. Печурін // Проблеми інформатизації та управління: зб. наук. пр. - 2006. - № 3 (18). - С. 121 - 124.

4. Печурін М.К. Моделювання та порівняльний аналіз стандартів WI-FI / М.К. Печурін, А.С. Дуднік, О.М. Березовський, І.А. Гладиш // Вісник інженерної академії України. - 2009. - № 1. - С. 154 - 157.

5. Талаєв О.К. Моделювання бездротових комп'ютерних мереж в залежності від алгоритму управління та розподілу трафіку / О.К. Талаєв, А.С. Дуднік, О.М. Березовський // Вісник Національного технічного університету «КПІ»: Інформатика, управління та обчислювальна техніка. - 2008. - № 49. - С. 152 - 155.

6. Гладыш И.А. Сравнительный анализ методов имитационного моделирования беспроводных сетей передачи данных / И.А. Гладыш, А.С. Дудник // Комп'ютерні системи та мережні технології: міжнар. наук.-практ. конф., 17 - 19 березня 2008 р.: тези допов. - К., 2008. - С. 69 - 73.

7. Дудник А.С. Результаты эксперимента с моделью трехфазной СМО на примере сети с шинной топологией/ А.С. Дудник, М.В. Варганич // ПОЛІТ-2008: міжнар. наук.-практ. конф., 10 - 11 квітня 2008 р.: тези допов. - К.:, 2008. - С. 543.

8. Дудник А.С. Сравнительная характеристика специализированного средства моделирования компьютерных сетей и средства моделирования общего назначения при моделировании управления трафиком беспроводных сетей / А.С. Дудник, А.Н. Березовский // Актуальные проблемы информационно-компьютерных технологий, мехатроники и робототехники: междунар. наук.-практ. конф., 28 сентября - 3 октября 2009 г.: тезисы докл. - Таганрог, 2009. - С. 34 - 37.

9. Дуднік А.С. Особливості імітаційного моделювання 2-х фазних систем масового обслуговування / А.С. Дуднік // ПОЛІТ-2007: міжнар. наук.-практ. конф., 12 - 13 квітня 2007 р.: тези допов. - К., 2007. - С. 66.

10. Дуднік А.С. Порівняльний аналіз стандартів за WI-FI допомогою засобу імітаційного моделювання / А.С. Дуднік, О.М. Березовський, М.В. Варганич // Інформаційна освіта та професійно-комунікативні технології ХХІ століття: II міжнар. наук.-практ. конф., 10 - 12 вересня 2009 р.: тези допов. - Одеса, 2009. - С. 413 - 416.

11. Дуднік А.С. Засоби управління трафіком бездротових комп'ютерних мереж на основі алгоритмів керування чергами / А.С. Дуднік, О.М. Березовський // АВІА-2009: IX міжнар. наук.-практ. конф., 21 - 23 вересня 2009 р.: тези допов. - К., 2009. - С. 5.34 - 5.37.

12. Дуднік А.С. Порівняльний аналіз спеціалізованого засобу моделювання і засобу загального призначення при моделюванні управління бездротовим трафіком мережі WI-FI / А.С. Дуднік, О.М. Березовський // Комп'ютерні системи та мережні технології: ІІ міжнар. наук.-практ. конф., 10 - 12 червня 2009 р.: тези допов. - К ., 2009. - С. 38.

13. Дуднік А.С. Імітаційне моделювання інфрачервоного зв'язку / А.С. Дуднік, О.М. Березовський, І.А. Гладиш, М.В. Варганич // Інтегровані інтелектуальні робото-технічні комплекси: ІІ міжнар. наук.-практ. конф., 25 - 28 травня 2009 р.: тези допов. - К., 2009. - С. 239 - 241.

14. Дуднік А.С. Система покращення безпеки та якості бездротового передавання даних в зонах невпевненого прийому або з недостатньою завадостійкістю / А.С. Дуднік, М.М. Яценко // Комп'ютерні системи та мережні технології: ІІІ міжнар. наук.-практ. конф., 15 - 17 червня 2010 р.: тези допов. - К., 2010. - С. 38.

15. Печурин Н.К. Повышение точности решения задач управления трафиком в беспроводных компьютерных сетях / Н.К. Печурин, А.С. Дудник, М.В. Варганич, С.Н. Печурин, И.А. Гладыш // АВІА-2007: VIII міжнар. наук.-практ. конф., 25 - 27 квітня 2007 р.: тези допов. - К, 2007. - С. 13.25 - 13.28.

16. Печурин Н.К. Основы моделирования сети scaternet на основе технологии Bluetooth / Н.К. Печурин, А.С. Дудник, М.В. Варганич, Е.Е. Жицкая // Комп'ютерні системи та мережні технології: І міжнар. наук.-практ. конф., 17 - 19 березня 2008 р.: тези допов. - К., 2008. - С. 165 - 168.

Анотація

Дуднік А. С. Методи підвищення продуктивності у безпроводових комп'ютерних мережах на основі міжрівневої взаємодії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти. Національний авіаційний університет, Київ, 2011.

Дисертаційну роботу присвячено вирішенню наукової задачі дослідження безпроводових мереж різних стандартів за допомогою засобу моделювання загального призначення з метою знаходження шляхів покращення технічних характеристик реальної бездротової мережі того чи іншого стандарту.

Для вирішення цієї задачі створено ряд імітаційних моделей безпроводових мереж, і в ході процесу моделювання, запропоновано ряд рішень для покращення технічних характеристик безпроводової мережі.

З метою поліпшення якості передавання даних безпроводових мереж запропоновано наступні методи:

- для мереж, що використовують FHSS за рахунок розширення стандартної смуги частот спостерігалося падіння інтенсивності накопичення черги;

- для мереж, що використовують DSSS було застосовано покращені методи передавання даних, що дало змогу підняти швидкість роботи мережі.

З практичної точки зору отримані у роботі результати дозволяють підвищити ефективність роботи безпроводових комп'ютерних мереж різних стандартів

Ключові слова: завадостійкість, безпроводова комп'ютерна мережа, засоби моделювання загального призначення, алгоритми управління чергами, канал передавання, імітаційна модель.

Аннотация

Дудник А. С. Метод повышения производительности беспроводных компьютерных сетей на основе межуровневого взаимодействия. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - компьютерные системы и компоненты. Национальный авиационный университет, Киев, 2011.

Диссертационная работа посвящена решению научной задачи исследования беспроводных сетей разных стандартов с помощью средства имитационного моделирования общего назначения с целью нахождения путей улучшения техническо-эксплуатационных характеристик реальной беспроводной сети того или иного стандарта.

Следуя модели ВОС\МОС, для исследования выбрана та часть беспроводной сети, которая соответствует двум нижним уровням упомянутой модели. Эта возможность следует из слабой зависимости верхних, например, - прикладного, уровней от способа организации нижних уровней, например, - физического. Однако «отдалённость», несмежных уровней не есть свидетельство отсутствия возможности организовать взаимодействие смежных, например, - физического и канального уровней, не по строго иерархическому, как в эталонной модели, а и по принципу, аналогичному сетевой организации.

Организация может быть реализована путём перераспределения функций физического уровня и подуровней типа МАС и LLC канального, что сопряжено с некоторыми предложениями по изменению параметров модели ВОС\МОС для беспроводных компьютерных сетей: например изменениями (расширением) полосы пропускания и введением обратной связи при передаче информационных единиц, замыкающей несмежные уровни и подуровни сети.

Показателем эффективности техническо-эксплуатационных характеристик беспроводной сети выбрана производительность сети, под которой предложено в контексте данного исследования понимать отношение пропускной способности сети и затрат ресурсов на обеспечение конкретного уровня пропускной способности.

Для решения этой задачи создан ряд имитационных моделей беспроводных сетей, и в ходе процесса моделирования, найдены различные пути улучшения технических характеристик беспроводной сети. Были найдены пути улучшения параметров работы беспроводных сетей наиболее распространённых стандартов.

Перед созданием моделей и описанием процесса моделирования, были детально описаны и классифицированы модели беспроводных сетей и средства моделирования. Данная классификация составлялась относительно предмета исследования - общих и специализированных средств моделирования.

Для увеличения пропускной способности каналов передачи беспроводных сетей нужно, в зависимости от особенности стандарта, использовать следующие методы:

- для сетей с технологией типа FHSS за счет расширения стандартной полосы частот наблюдалось падение интенсивности накопления очереди;

- для сетей с технологией типа DSSS были применены улучшенные методы передачи данных, что дало возможность поднять скорость работы сети.

Исследования четвертого раздела показали на возможность повышения производительности беспроводных сетей путем перераспределения функций, которые классифицированы эталонной моделью в соответствии с семи уровнями.

Имеется в виду передача (в NMS) данных с одного из вышележащих уровней на один из нижележащих, минуя смежные уровни, и наоборот.

Если на вышестоящем уровне эталонной модели, скажем, - на представительском, сеансовом, основной поток данных требует преобразования типа ASCII с последующим преобразованием на транспортном, сетевом, канальном уровнях, то с точки зрения производительности беспроводной сети может быть целесообразным символ прикладного уровня (без преобразования) использовать как символ физического уровня при DSSS или FHSS.

Доказана на основе исследований эффективность использования методов мониторинга состояния связи и побитового контроля.

Был проведен ряд исследований, которые показали, что результаты, полученные при использовании модели типа G/ G /n для моделирования передачи данных беспроводных компьютерных сетей, являются достаточно точными среди других типов моделей.

В зависимости от количества прогонов погрешности результатов носят неравномерный характер, потому следует учитывать индивидуальные особенности трафика для каждой модели.

С практической точки зрения, полученные в работе результаты, позволяют повысить эффективность работы беспроводных компьютерных сетей различных стандартов.

Ключевые слова: производительность, пропускная способность, беспроводная компьютерная сеть, средства моделирования общего назначения, алгоритмы управления очередями, канал передачи, имитационная модель.

The summary

Dudnik A. S. Method to improve productivity in wireless computer networks based on the interlevel interaction. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of Candidate of Technical Sciences on specialty 05.13.05 - computer systems and components. National aviation university, Kyiv, 2011.

Dissertation work is devoted the decision of scientific task of research of wireless networks of different standards by the tool of design of general purpose with the purpose of finding of paths of improvement of technical descriptions of the real wireless network of that or other standard.

For the decision of this task the row of simulation models of wireless networks is created, and during the process of design, the different paths of improvement of technical descriptions of wireless network are found. The paths of improvement of parameters of work of networks of wireless different standards.