Методы и протоколы обеспечения надежности и своевременности передач на основе репликации пакетов на транспортном уровне компьютерных сетей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.15, кандидат наук Носков Илья Игоревич

• Носков Илья Игоревич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Носков Илья Игоревич

Оглавление

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Анализ методов, алгоритмов и протоколов, повышающих

надежность и отказоустойчивость компьютерных сетей

1.1 Аналитический обзор предметной области

1.1.1 Применение компьютерных сетей в системах, критичных

ко времени доставки данных

1.1.2 Методы и механизмы увеличения вероятности надежной и своевременной доставки данных в компьютерных сетях

1.1.3 Увеличение эффективности протоколов транспортного уровня для систем реального времени

1.2 Методы, алгоритмы и протоколы, обеспечивающие надежность функционирования и отказоустойчивость компьютерных сетей

1.2.1 Протоколы обеспечения надежности и отказоустойчивости компьютерных сетей на канальном уровне

1.2.2 Обеспечение надежности и отказоустойчивости компьютерных сетей на сетевом уровне

1.2.3 Обеспечение надежности передач на транспортном

уровне компьютерных сетей

1.3 Анализ существующих решений в области организации многопутевых резервированных передач

1.4 Аналитические модели резервированного обслуживания и многопутевых резервированных передач

1.4.1 Аналитические модели для оценки времени пребывания пакетов в системах с резервированными передачами критичных к задержкам данных

1.4.2 Примеры использования аналитических моделей для оценки эффективности работы резервированных передач

при использовании каналов связи с потерями

1.5 Задачи и направления исследований

1.6 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Разработка метода и протокола обеспечения надежности и своевременности передач на основе репликации пакетов на транспортном уровне компьютерных сетей

2.1 Метод организации резервированных передач транспортного уровня, обеспечивающий надежность и своевременность

доставки критичных к задержкам данных

2.1.1 Механизм работы метода многопутевых резервированных передач

2.1.2 Алгоритм формирования копий передаваемых сообщений

и организация многопутевой резервированной отправки

2.1.3 Алгоритм приема и обработки сообщений, полученных по резервным каналам связи

2.2 Разработка протокола резервированных передач транспортного

уровня

2.2.1 Подуровень резервирования транспортных передач

2.2.2 Метод организации фрагментации и формирования протокольных блоков данных

2.2.3 Формат заголовка протокола резервированных передач транспортного уровня

2.3 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Моделирование протокола резервированных передач

транспортного уровня

3.1 Выбор специализированной среды моделирования компьютерных сетей

3.1.1 Среды имитационного моделирования компьютерных сетей

3.1.2 Моделирование компьютерных сетей в среде OMNeT++

3.2 Разработка модели протокола резервированных передач транспортного уровня

3.2.1 Модели организации передач сетевого трафика в среде OMNeT++

3.2.2 Реализация резервированной многопутевой отправки

данных

3.2.3 Организация обработки данных, полученных с использованием резервированных передач транспортного уровня

3.3 Выводы по главе

ГЛАВА 4. Исследование эффективности функционирования протокола резервированных передач транспортного уровня в компьютерных сетях с различной организацией

4.1 Система критериев для оценки эффективности работы протокола

резервированных передач транспортного уровня

4.1.1 Критерий эффективности для систем с высокими требованиями к вероятности безошибочной и своевременной доставки данных

4.1.2 Критерий эффективности для компьютерных сетей, функционирующих с заданными ограничениями на время доставки критичных к задержкам данных

4.2 Модели компьютерных сетей с протоколом многопутевых резервированных передач транспортного уровня

4.2.1 Модель компьютерной сети с топологией типа общая шина

4.2.2 Модель компьютерной сети с организацией резервированных передач через коммутаторы

4.2.3 Модель компьютерной сети с несколькими отправителями

и одним получателем

4.2.4 Модель компьютерной сети с несколькими отправителями

и несколькими получателями

4.2.5 Модель межсетевого взаимодействия с использованием резервированных передач транспортного уровня

4.3 Модели существующих протоколов обеспечения надежности и отказоустойчивости компьютерных сетей

4.3.1 Имитационная модель с отказоустойчивым VRRP-шлюзом

4.3.2 Имитационная модель с отказоустойчивым ЖЯР-шлюзом

4.3.3 Имитационная модель с отказоустойчивым GLBP-шлюзом

4.3.4 Оценка эффективности работы протокола GLBP

4.4 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

222

Словарь терминов

Список литературы

Список рисунков

Список таблиц

Приложение 1. Акт о внедрении

Приложение 2. Исходный текст модели отправителя с реализацией

репликации пакетов на транспортном уровне

Приложение 3. Исходный текст модели получателя с реализацией

репликации пакетов на транспортном уровне

Тексты публикаций

Реферат

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ Актуальность темы

С увеличением количества пользователей, имеющих доступ к компьютерным сетям, актуальными становятся задачи повышения эффективности использования сетевых ресурсов и разделения их между всеми клиентами путем применения новых топологий, разработки и модификации сетевых протоколов различных уровней, усовершенствованием алгоритмов работы модулей сетевого оборудования и т.д. [1-5].

Для систем реального времени (СРВ) дополнительным важным фактором является своевременность доставки данных, т.к. подобные системы обеспечивают непрерывный контроль и управление различными объектами, в том числе критически важными. В критически важных системах нельзя допускать прерывания связи даже на миллисекунды, так как этого времени будет достаточно, чтобы повлиять на качество функционирования системы, вывести ее из строя или поставить под угрозу безопасность персонала [6]. Даже незначительные простои, вызванные отказами в оборудовании и/или каналах связи, приведут к потере больших объемов данных, а также могут стать причиной сбоев в работе приложений и повлечь связанные с этим издержки [7]. Данные факторы подтверждают актуальность исследований повышения вероятности безошибочной и своевременной доставки данных в сетях различного назначения.

Повышение надежности и отказоустойчивости функционирования сетей в рамках описанных систем с целью увеличения вероятности безошибочной пере-

дачи и уменьшения задержек относится к наиболее актуальным и приоритетным задачам государственного уровня. Решение данной задачи позволит усовершенствовать технологические производства и повысить их надежность и безопасность. Для систем, функционирующих с ограничениями на время обслуживания запросов и доставки критичных к задержкам пакетов, необходимо использовать механизмы и методы резервированного обслуживания запросов, в том числе резервированных передач, предложенные в [8-21] и позволяющие передавать копии пакетов по различным путям с целью обеспечения надежности и своевременности передачи критичного к задержкам трафика. Предлагаемые в работах [12; 15; 16] методы не доведены до реализации в виде протоколов сетевого или транспортного уровней компьютерных сетей.

Исследование методов, протоколов и механизмов организации резервированных передач транспортного уровня, предлагаемых с целью обеспечения надежности и своевременности передачи на основе репликации пакетов, является актуальной задачей, решение которой позволит повысить эффективность систем, работающих с критичным к задержкам трафиком реального времени, при использовании ненадежных каналов связи и/или частых отказах сетевого оборудования.

Таким образом, в настоящее время имеется потребность решения задачи разработки метода и протокола обеспечения надежности и своевременности передач на основе репликации пакетов на транспортном уровне компьютерных сетей, позволяющие эффективно передавать чувствительный к задержкам трафик. Разрабатываемый протокол должен использовать ресурсы текущего оборудования, а также базовое системное программное обеспечение (ПО) без необходимости изменения кода сетевого стека (транспортного уровня) в ядре операционной системы, путем введения подуровня резервирования, что повысит гибкость предложенного решения и сократит стоимость разработки и владения.

Степень разработанности проблемы

В работе [22] дается подробное описание и обзор современных разработок на транспортном уровне, в том числе протоколов, повышающих эффективность функционирования компьютерных сетей. Авторы описывают многопутевые модификации протокола Transmission Control Protocol (TCP), а также большое внимание уделяется обзору новых алгоритмов управления потоком и перегрузкой с целью увеличения производительности передач [23]. В документах Request for Comments (RFC) [24; 25] описаны следующие протоколы: Stream Control Transmission Protocol (SCTP), Datagram Congestion Control Protocol (DCCP), а также Quick User Datagram Protocol (UDP) Internet Connections (QUIC). Многопутевые решения для протокола Multipath TCP (MPTCP) приводятся в документах RFC [26; 27], для SCTP более детально рассмотрены в [28], для QUIC в Internet Engineering Task Force (IETF) драфте [29] и в [30]. Использование механизмов Quality of Service (QoS) для контроля задержек при многопутевых передачах данных рассмотрено в [31]. В современных исследованиях нет описания подхода с многопутевыми резервированными передачами UDP протокола с целью обеспечения надежности и своевременности передач, позволяющего не обновлять операционную систему транзитных узлов между отправителем и получателем. Решения, наиболее близкие к представленным в работе, базируются на использовании многопутевых передач на базе протокола TCP без предоставления механизма репликации данных. В качестве протокола, который может быть реализован в пространстве пользователя, а не в пространстве ядра операционной системы в работе [22] рассмотрен только протокол QUIC. Однако данный протокол также не позволяет выполнять резервированные передачи между узлами. Таким образом, все современные решения, предоставляющие механизм многопутевой передачи данных, не выполняют репликации пакетов.

В работах [32; 33] авторы исследуют решения проблем, связанных с повышением надежности компьютерных сетей, вопросы безопасности и обеспечения высокого уровня отказоустойчивости поднимаются в [34; 35]. Производительные распределенные СРВ рассмотрены в [18; 19], при этом вопросы повышения надежности и своевременности обслуживания запросов на основе резервированного обслуживания запросов, в том числе запросов на передачу данных, рассмотрены в [8-21].

В работах [10; 12; 14-16; 19; 36-46] авторы проводят исследования различных механизмов организации многопутевых передач с резервированием запросов с учетом требований реального времени, однако в них нет моделей, учитывающих особенности реализации и специфику работы реальных сетевых протоколов и оборудования, также авторы не предлагают новых сетевых протоколов или улучшений существующих. Задачи проектирования и модернизации сетевых протоколов, поддерживающих резервирование передач, в том числе на транспортном уровне, с целью обеспечения надежности и своевременности передач в компьютерных сетях в настоящее время остаются открытыми.

Объект исследования

Объектом диссертационной работы являются компьютерные сети, работающие в рамках заданных ограничений на время доставки критичных к задержкам данных.

Предмет исследования

Предметом исследования являются методы и алгоритмы повышения своевременности и безошибочности доставки данных в компьютерных сетях, реализующие механизм резервированных передач транспортного уровня для СРВ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и протоколы обеспечения надежности и своевременности передач на основе репликации пакетов на транспортном уровне компьютерных сетей»

Цель работы

Цель диссертационной работы - повышение надежности и своевременности доставки критичных к задержкам данных на основе организации многопутевых резервированных передач транспортного уровня в компьютерных сетях.

Задачи работы

Для достижения поставленной цели исследования требуется решить следующие задачи.

1. Провести анализ существующих алгоритмов, методов и протоколов, предоставляющих механизмы повышения надежности и отказоустойчивости компьютерных сетей, функционирующих с заданным ограничением на время доставки критичного к задержкам трафика; выполнить классификацию сетевых протоколов, обеспечивающих надежность и отказоустойчивость компьютерных сетей.

2. Определить систему критериев для оценки эффективности работы компьютерных сетей с резервированием передач транспортного уровня, функцио-

нирующих в рамках СРВ с заданными ограничениями на время доставки критичных к задержкам данных.

3. Разработать метод и протокол обеспечения надежности и своевременности передач на основе репликации пакетов на транспортном уровне компьютерных сетей.

4. Разработать модели и методы исследования и оценки эффективности резервированных передач транспортного уровня в компьютерных сетях на основе определенной системы критериев и выработать рекомендации по целесообразному использованию разработанных подходов в сетях с различными топологиями с целью повышения вероятности своевременной и безошибочной доставки критичных к задержкам данных.

Методы исследования

Для решения задач диссертации и достижения поставленной цели в работе были использованы методы моделирования, теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания, теории алгоритмов, а также технологии объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна исследований

Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что в целях развития концепции многопутевых резервированных передач транспортного уровня в компьютерных сетях, функционирующих с заданными ограничениями на время доставки критичных к задержкам данных, повышения надежности и

эффективности функционирования систем, использующих данные сети, предложены.

1. Метод и протокол обеспечения надежности (безошибочности) и своевременности доставки критичных к задержкам пакетов в компьютерных сетях, отличающийся возможностью реализации многопутевых резервированных передач транспортного уровня.

2. Организация подуровня резервирования транспортного уровня, отличающаяся возможностью репликации передаваемых данных, с целью обеспечения надежности и своевременности передач.

3. Модели компьютерных сетей с реализацией многопутевых резервированных передач транспортного уровня для отправки критичного к задержкам трафика, отличающиеся от существующих учетом специфики работы реальных сетевых протоколов и оборудования.

4. Результаты проведенных исследований, позволяющие оценить эффективность и области целесообразного использования предлагаемого протокола обеспечения надежности и своевременности передач на основе репликации пакетов транспортного уровня в компьютерных сетях различных топологий и конфигураций.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Метод обеспечения надежности и своевременности передач критичных к задержкам данных, основанный на резервированных передачах транспортного уровня.

2. Протокол и организация подуровня резервирования передач транспортного уровня, позволяющие повысить вероятность своевременной и безошибочной доставки критичных к задержкам данных.

3. Модели резервированных многопутевых передач транспортного уровня, позволяющие оценить вероятностно-временные характеристики предлагаемых решений.

Теоретическая значимость работы

На транспортном уровне компьютерных сетей разработан и обоснован метод обеспечения надежности своевременной доставки критичных к задержкам данных в компьютерных сетях. Предложены протокол и организация подуровня резервирования транспортного уровня, отличающаяся реализацией репликации передаваемых пакетов. Разработанные в диссертации модели позволяют исследовать и проектировать компьютерные сети с резервированными передачами транспортного уровня, передающими критичный к задержкам трафик.

Практическая значимость работы

Практическая значимость диссертационной работы состоит в повышении эффективности передач критичных к задержкам данных в компьютерных сетях (увеличение надежности и своевременности доставки) на основе разработанного сетевого протокола и организации подуровня резервирования транспортных передач. Предложенные в работе решения и модели позволяют разрабатывать протоколы, обеспечивающие надежность и своевременность передач, для решения прикладных задач в компьютерных сетях различного назначения.

Достоверность научных достижений

Достоверность результатов исследований обусловлена корректностью выбора и применения математического аппарата, подтверждена аналитическим и имитационным моделированием в специализированной среде Objective Modular Network Testbed in C++ (OMNeT++), учитывающей влияние реальных сетевых протоколов и оборудования, апробацией на отечественных и международных конференциях, а также результатами внедрения. Полученные в работе результаты согласуются с данными других исследований, опубликованных в различных рецензируемых отечественных и зарубежных изданиях.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.13.15 «Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети», а проведенное исследование - формуле специальности. Исследование соответствует следующим пунктам паспорта специальности.

2. Теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей с целью улучшения их технико-экономических и эксплуатационных характеристик.

5. Разработка научных методов и алгоритмов создания структур и топологий компьютерных сетей, сетевых протоколов и служб передачи данных в компьютерных сетях, взаимодействия компьютерных сетей, построенных с использованием различных телекоммуникационных технологий, мобильных и специальных компьютерных сетей, защиты компьютерных сетей и приложений.

6. Разработка научных методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих надежность, контроль и диагностику функционирования вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей.

Апробация результатов исследования

Основные научные положения и результаты, полученные в рамках проведенного диссертационного исследования, прошли апробацию на следующих научных конференциях различного уровня: 23rd International Conference on Distributed Computer and Communication Networks (DCCN 2020) (2020 г.); XXII International Conference «Wave electronics and its application in information and telecommunication systems» (WEC0NF-2019) (2019 г.); The 10th, 11th and 12th Majorov International Conference on Software Engineering and Computer Systems (MICSECS 2018, MICSECS 2019, MICSECS 2020) (2018-2020 гг.); VIII, IX и X Конгресс молодых ученых (2019-2021 гг.); XLVIII, XLIX и пятидесятая Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (2019-2021 гг.); IV Всероссийская научно-практическая конференция «Информационные системы и технологии в моделировании и управлении» (2019 г); XVI Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика (РИ-2018)» (2018 г); XI Санкт-Петербургская межрегиональная конференция «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2019)» (2019 г).

Публикации по теме работы

Основные научные результаты по теме диссертации изложены в 21 печатных изданиях, из них семь статей опубликованы в журналах, входящих в международ-

ные реферативные базы данных Scopus и Web of Science (одна публикация входит также в ВАК), две - в журналах, рекомендованных ВАК.

Внедрение результатов диссертационной работы

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс факультета программной инженерии и компьютерной техники университета ИТМО (дисциплина «Моделирование и управление в киберфизических системах»), а также использованы в следующих научно-исследовательских работах (НИР).

1. НИР № 620164 «Методы искусственного интеллекта для киберфизических систем».

2. НИР № 619296 «Разработка методов создания и внедрения киберфизиче-ских систем».

3. НИР № 617026 «Разработка методов интеллектуального управления кибер-физическими системами с использованием квантовых технологий».

Исследования поддержаны следующими стипендиями.

1. Президента Российской Федерации на 2020/21 учебный год.

2. Правительства Российской Федерации на 2019/20 учебный год.

Личный вклад автора

Автором лично решены все поставленные задачи, разработаны метод, модели и протокол обеспечения надежности и своевременности передач критичных к задержкам данных на основе репликации пакетов на транспортном уровне компьютерных сетей. В совместных публикациях [47-54] автору соответствует доля участия 50%. Автором построены и исследованы модели резервированных пе-

редач транспортного уровня, обеспечивающие надежность и своевременность доставки критичных к задержкам данных; разработаны модели протоколов, обеспечивающих сетевую отказоустойчивость. В работах [55-57] автору соответствует доля участия 40%: построены имитационные модели в среде ОМ№Т++ и дана оценка эффективности организации резервированных передач.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, словаря терминов, списка литературы, списка рисунков, списка таблиц, а также трех приложений. Общий объем диссертации составляет 281 страницу текста с тремя таблицами и 83 рисунками. Список литературы содержит 219 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проводимых в рамках диссертационной работы исследований, описываются объект и предмет исследования, ставятся цель и задачи работы, излагаются научная новизна, практическая и теоретическая значимость диссертационного исследования.

В первой главе проведен аналитический обзор предметной области, показаны актуальные проблемы компьютерных сетей при передаче критичного к задержкам трафика. Описываются современные разработки в области создания и усовершенствования сетевых протоколов различного уровня, позволяющие увеличить надежность и своевременность доставки.

В главе представлены методы и способы увеличения эффективности протоколов транспортного уровня для СРВ, а также механизмы обеспечения надежности передач, используемые на транспортном уровне компьютерных сетей. Показана неэффективность работы протокола TCP в СРВ при передаче чувствительного к задержкам трафика по каналам связи с битовыми ошибками при использовании различных алгоритмов управления перегрузкой и потоком передачи данных.

Вторая глава посвящена разработке метода и протокола обеспечения надежности и своевременности передач критичного к задержкам трафика на основе репликации пакетов на транспортном уровне компьютерных сетей. Предложена модель компьютерной сети с резервными каналами связи, позволяющими осуществлять многопутевые резервированные передачи чувствительного к задержкам трафика на транспортном уровне.

Повышение вероятности безошибочной и своевременной передачи достигается за счет использования нескольких путей прохождения пакетов. Минимизация времени доставки пакета происходит путем приема первого прибывшего на стороне получателя сообщения с дальнейшим отбрасыванием дубликатов. На рисунке 1 показана схема отправки данных с использованием метода многопутевых резервированных передач.

Рисунок 1 - Схема многопутевых резервированных передач критичных к

задержкам данных

Выполняется обоснование выбора протокола UDP в качестве основного транспортного протокола для организации резервированных многопутевых передач. Протокол UDP выполняет отправку дейтаграмм без предварительного установления соединения и без гарантий доставки. При возникновении ошибок или потерь в каналах связи не происходит деградация скорости передачи за счет отсутствия механизма саморегуляции транспортных потоков, как это происходит при использовании механизмов управления потоком и перегрузкой в TCP.

На основе разработанного метода спроектирован протокол, работающий поверх UDP-передач транспортного уровня и позволяющий выполнять резервированные многопутевые передачи критичного к задержкам трафика. Приводятся алгоритм формирования копий передаваемых сообщений и организация многопутевой резервированной отправки, а также алгоритм приема и обработки сообщений, полученных по резервным каналам связи. На рисунке 2 приведена схема отправки сообщений протокола резервированных передач Multipath Redundant UDP Transmissions (MRUT). В качестве протоколов нижележащих уровней используются стандартные протоколы стека TCP/IP: на сетевом уровне -протокол Internet Protocol (IP), на канальном - Ethernet.

Рисунок 2 - Схема резервированной отправки данных

В процессе передачи дейтаграмма может быть потеряна или искажена, что приведет к отбрасыванию данной копии на стороне получателя. В пользователь-

ское приложение будет передано первое корректно прибывшее по одному из каналов связи сообщение от отправителя.

С целью обеспечения многопутевых передач был введен подуровень резервирования, позволяющий отслеживать несколько соединений и отправлять по ним копии сообщений. Модифицированный стек протоколов TCP/IP с введением подуровня резервирования представлен на рисунке 3.

Модель TCP/IP с Модель TCP/IP подуровнем

Канал 1 Канал 2 Канал т

Рисунок 3 - Стек протоколов TCP/IP с подуровнем резервирования

транспортных передач

Выполнен анализ эффективности использования механизма фрагментации на сетевом уровне и предложено решение, позволяющее выполнять фрагментацию сообщений на прикладном уровне и исключающее излишнюю нагрузку на промежуточное сетевое оборудование и вероятность отбрасывания пакетов по пути следования в виду невозможности выполнения фрагментации сетевым оборудованием. Для предоставления данного механизма в разработанном протоколе перед многопутевой резервированной отправкой происходит определение минимального размера Maximum Transmission Unit (MTU) для принятия решения о

необходимости выполнения фрагментации на прикладном уровне. Реализация описанного подхода отражена на рисунке 4, где красным цветом обозначены потерянные в каналах связи фрагменты передаваемого сообщения.

фрагментация

1 2 [ 3 I

hi

и о -иши

мшК

Рисунок 4 - Фрагментация пакета на уровне протокола резервированных

передач (MRUT)

Фрагментация на уровне протокола резервированных передач позволяет собирать исходное сообщение из фрагментов, прибывших по разным путям, что невозможно при использовании фрагментации на уровне сетевого протокола IP. Для СРВ и компьютерных сетей с заданными ограничениями на время доставки предпочтительнее использовать протокол MRUT с определением минимального значения MTU среди всех каналов связи либо отправлять сообщения с заведомо меньшим размером чем MTU. Целостность и безошибочность передачи протокольных единиц данных гарантируется вычислением контрольной суммы содержимого UDP-дейтаграммы.

По полученным во второй главе результатам сделаны следующие выводы.

1. Разработан метод организации резервированных передач, обеспечивающий надежность и своевременность доставки критичных к задержкам данных. Предложены алгоритмы работы отправителя и получателя трафика. При отправке данных происходит репликация сообщений и отправка их по доступным резервным каналам связи. Первый прибывший экземпляр переданного по сети сообщения гарантирует минимальную величину задержки, что является необходимым для СРВ, функционирующих с заданными ограничениями на время доставки критичного к задержкам трафика.

2. Проведен анализ современных подходов к проектированию и созданию сетевых протоколов. Выделен подуровень резервирования в стеке протоколов

TCP/IP для реализации возможности многопутевых резервированных передач транспортного уровня.

3. На основе разработанного метода спроектирован сетевой протокол, обеспечивающий надежность и своевременность передач критичного к задержкам трафика на основе репликации пакетов на транспортном уровне компьютерных сетей. Предложен формат заголовков и метод организации фрагментации на уровне разработанного протокола передачи.

В третьей главе осуществляется выбор специализированной среды моделирования и описывается процесс создания модели разработанного протокола резервированных передач на стороне приемника и отправителя.

Выделены критерии, которым должна удовлетворять среда моделирования для разработки модели протокола резервированных передач.

1. Специализированная среда моделирования компьютерных сетей для построения адекватных моделей, максимально близко отражающих предметную область.

2. Наличие библиотек и фреймворков, поддерживаемых сообществом разработчиков, с целью использования наиболее свежих версий протоколов, соответствующих последним редакциям RFC.

3. Богатый инструментарий для отладки разработанных моделей и доступная статистика результатов моделирования по всем элементам моделируемой системы.

4. Инструменты обработки и анализа полученных в результате моделирования результатов (построение графиков, гистограмм, диаграмм, экспорт наборов данных и т.д.).

5. Возможность бесплатного использования в академических целях.

6. Возможность распределенного моделирования.

7. Наличие графического интерфейса пользователя с целью построения наглядных и удобных для восприятия моделей сетевых топологий.

В настоящее время разработано множество специализированных сред для моделирования компьютерных сетей. В качестве основных выделены следующие.

- Network Simulator-3 (NS-3).

- OMNeT++.

- GloMoSim/QualNet.

- Optimized Network Engineering Tools (OPNET) Modeler.

Для разработки модели протокола резервированных передач выбрана среда OMNeT++, которая является узкоспециализированной кроссплатформенной средой моделирования компьютерных сетей различного уровня и назначения. Данная среда имеет большое сообщество разработчиков, которые занимаются разработкой и поддержкой множества библиотек и фреймворков, содержащих огромное количество моделей современных сетевых протоколов и устройств, графический интерфейс пользователя, позволяющий быстро и удобно строить сетевые модели, а также подробную англоязычную документацию.

Проведен анализ существующих моделей и модулей среды OMNeT++, на основе которого выбраны две модели для дальнейшей их доработки с целью предоставления функционала многопутевых резервированных передач транспортного уровня.

Разработанный модуль UDPRedundantApp расширяет базовую модель UDPBasicApp из набора доступных к использованию генераторов трафика среды OMNeT++ и позволяет указывать в его конфигурации несколько резервных адресов узла назначения. При возникновении события на отправку дейтаграммы происходит ее копирование и параллельная отправка по всем заданным пользователем резервным каналам связи. Все копии дейтаграммы помечены одинаковым идентификационным номером, что позволяет получателю распознать дубликаты принятых дейтаграмм. Пример конфигурационного файла приложения UDPRedundantApp приведен на рисунке 5, в котором заданы несколько адресов узла назначения, порт назначения, межпакетный интервал, размер дейтаграмм и т.д.

*■ *■. Cl:.ent__ . numUdpApp3 = 1

' ' . Client__ .udpApp ; !■] . typename = "UDFRedandantApp"

* * .ClLent__.udpApp ; :■] .de3tAddresse3 = "10.10.10.6 10.10.20.6-

■■ ■■ . Client__ .udpApp ; :■] . de3tPort = 1000

11. Clie^t__ .udpApp ; !■] . ir.essageLengt л = 100B

■■ ■■ . Client__ .udpApp ; !■] . startriir.e = Os

•■■■.Client 1 .udpApp I !■] . 3endlnterval = exponential (0 . 0001a)

Рисунок 5 - Конфигурация отправителя, использующего резервированные

передачи для отправки UDP-трафика

Во время отправки происходит копирование исходной дейтаграммы и ее отправка по резервным каналам связи к узлу назначения. На пути следования дейтаграмма может быть потеряна или повреждена, что приведет к ее отбрасыванию из-за несовпадения контрольной суммы. На приемной стороне производится детектирование принятых дубликатов. Первая прибывшая дейтаграмма обрабатывается приемником и передается в пользовательское приложение, обеспечивая тем самым надежность и срочность передачи критичного к задержкам трафика.

На основе приемника UDP-трафика UDPSink, входящего в библиотеку моделей среды OMNeT++, была разработана модель UDPRedundantSink, позволяющая принимать пакеты со всех сетевых интерфейсов и идентифицирующая дубликаты с целью отбрасывания избыточных дейтаграмм. На рисунке 6 показан пример конфигурационного файла для модели, принимающей данные по резервным каналам связи.

''.Client_2.udpApp[_].typename = "UDPRedundantSink" . Client_2 . udpApp [ 1] . localFort = 100

Рисунок 6 - Конфигурация потребителя UDP-трафика по резервным каналам

связи

Для работы приемника достаточно указания порта, на который будет приходить трафик от отправителя. Интерфейсы сетевых карт и IP-адреса в конфигурационном файле не задаются, т.к. предполагается, что приемник работает со всеми доступными ему интерфейсами и принимает все дейтаграммы, направленные на заданный порт.

Таким образом, предложена модель протокола обеспечения надежности и своевременности передач на основе репликации пакетов на транспортном уровне компьютерных сетей для отправителя и получателя сетевого трафика.

Четвертая глава посвящена исследованию эффективности функционирования протокола резервированных передач транспортного уровня в компьютерных сетях различной организации, а также описанию процесса создания моделей компьютерных сетей различных топологий.

Выбраны следующие критерии оценки эффективности передач трафика в компьютерных сетях, функционирующих в рамках СРВ с заданными ограничениями на время доставки.

1. Вероятность безошибочной доставки пакетов.

2. Среднее время доставки.

3. Вероятность своевременной безошибочной доставки пакетов.

4. Критерий М, учитывающий вероятность своевременной и безошибочной доставки, а также математическое ожидание запаса по предельно допустимому времени доставки:

М = Р(¿с - Т), (1)

где Р - вероятность своевременной и безошибочной доставки переданных по сети пакетов, ¿с - заданное в компьютерной сети ограничение на задержку передаваемых по сети данных (время доставки), а Т - фактическое среднее время пребывания пакета в сети между отправителем и получателем.

В главе описан процесс разработки моделей и исследования эффективности разработанного протокола многопутевых резервированных передач транспортного уровня. Полученные в рамках экспериментов данные позволяют выделить области эффективного и целесообразного использования протокола многопутевых резервированных передач. С помощью выбранной совокупности критериев

показана эффективность использования протокола на различных сетевых топологиях. Разработаны и исследованы следующие модели компьютерных сетей: модель компьютерной сети с топологией типа общая шина, модель локальной вычислительной сети (ЛВС) с организацией резервированных передач через коммутаторы, модель ЛВС на базе коммутаторов с несколькими отправителями и одним получателем, модель ЛВС на базе коммутаторов с несколькими отправителями и несколькими получателями, модель межсетевого взаимодействия с использованием резервированных передач транспортного уровня.

Исследована модель, построенная на базе общей шины с резервными каналами связи, в которой каждый отправитель конкурирует за среду передачи. Данная модель представляет интерес для дальнейшего развития и применения протокола резервированных передач в беспроводных сетях. Модель приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Схема компьютерной сети с резервными каналами связи, представленными в виде общей шины

Капал связи 1

Канал связи 2 (1

Канал связи 3 [)

Канал связи 4 Я

Канал связи п

Построенные зависимости критерия эффективности М от кратности резервирования передач при различных значениях поступления пакетов в систему показывают область эффективного и целесообразного использования разработанного протокола для передачи критичного к задержкам трафика (рисунок 8).

Мх 10"4, с

Рисунок 8 - Зависимость критерия эффективности М от кратности резервирования передач К при заданной интенсивности поступления пакетов в систему: 1000 1/с (кривая 1); 2000 1/с (кривая 2)

Исследованы различные сетевые топологии на базе коммутируемого доступа с использованием коммутаторов в качестве активного сетевого оборудования. Примеры таких схем изображены на рисунке 9 и рисунке 10 при различных схемах взаимодействия клиентов между собой.

На рисунке 11 изображена зависимость вероятности своевременной и безошибочной доставки сообщений от кратности резервирования при различной интенсивности поступления пакетов.

Данный критерий не учитывает срочность доставки данных, а задает ограничения только на пороговое время задержки для передаваемых данных, что может быть важно в системах, требующих прихода управляющего воздействия по сети к определенному моменту времени.

На рисунке 12 показаны графики зависимостей вероятности безошибочной доставки сообщений от интенсивности поступления пакетов в систему при различной кратности резервирования, которые показывают область целесообразного и эффективного использования предложенного решения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Носков Илья Игоревич, 2021 год

Литература

1. Aysan H. Fault-Tolerance Strategies and Probabilistic Guarantees for Real-Time Systems. Vasteras, Sweden, Malardalen University, 2012. 190 p.

2. Cheng S.T., Chen C.M., Tripathi S.K. Fault-tolerance model for multiprocessor real-time systems // Journal of Computer and System Sciences. 2000. V. 61. N 3. P. 457-477. doi: 10.1006/jcss.2000.1704

3. Татарникова Т.М. Аналитико-статистическая модель оценки живучести сетей с топологией mesh // Информационно-управляющие системы. 2017. № 1(86). С. 17-22. doi: 10.15217/issnl684-8853.2017.1.17

4. Shooman M.L. Reliability of Computer Systems and Networks: Fault Tolerance, Analysis, and Design. John Wiley & Sons, 2002. 552 p.

5. Шубинский И.Б. Надежные отказоустойчивые информационные системы. Методы синтеза. Ульяновск: Областная типография «Печатный двор», 2016. 544 с.

6. Татарникова Т.М., Елизаров М.А. Модель оценки временных характеристик при взаимодействии в сети интернета вещей // Информационно-управляющие системы. 2017. № 2(87). С. 44-50. doi: 10.15217/issnl684-8853.2017.2.44

7. Tatarnikova T.M., Kutuzov O.I. Model of a self-similar traffic generator and evaluation of buffer storage for classical and fractal queuing system // Proc. 1st Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT 2018). 2018. P. 1-3. doi: 10.1109/MWENT.2018.8337306

8. Polese M., Chiariotti F., Bonetto E., Rigotto F., Zanella A., Zorzi M. A survey on recent advances in transport layer protocols // IEEE Communications Surveys and Tutorials. 2019. V. 21. N 4. P. 35843608. doi: 10.1109/C0MST.2019.2932905

9. Iyengar J., Thomson M. QUIC: A UDP-based multiplexed and secure transport // IETF, Working Draft: draft-ietf-quic-transport-08, Dec. 2017 [Электронный ресурс]. URL: https://tools.ietf.org/id/draft-ietf-quic-transport-08.txt (дата обращения: 28.05.2020).

10. Viernickel T., Froemmgen A., Rizk A., Koldehofe B., Steinmetz R. Multipath QUIC: A deployable multipath transport protocol // Proc. IEEE International Conference on Communications (ICC 2018). 2018. P. 8422951. doi: 10.1109/ICC.2018.8422951

11. Bogatyrev V.A., Bogatyrev A.V. Functional reliability of a real-time redundant computational process in cluster architecture systems // Automatic Control and Computer Sciences. 2015. V. 49. N 1. P. 4656. doi: 10.3103/S0146411615010022

12. Богатырев В.А., Богатырев А.В. Модель резервированного обслуживания запросов реального времени в компьютерном кластере // Информационные технологии. 2016. Т. 22. № 5. С. 348355.

13. Богатырев В.А., Богатырев С.В. Резервированная передача данных через агрегированные каналы в сети реального времени // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2016. Т. 59. № 9. С. 735-740. doi: 10.17586/0021-3454-2016-59-9-735-740

14. Lee M.H., Dudin A.N., Klimenok V.I. The SM/V/N queueing system with broadcasting service // Mathematical Problems in Engineering. 2006. V. 2006. P. 98171. doi: 10.1155/MPE/2006/98171

15. Dudin A.N., Sun' B. A multiserver MAP/PH/N system with controlled broadcasting by unreliable servers // Automatic Control and Computer Sciences. 2009. V 43. N 5. P. 247-256. doi: 10.3103/S0146411609050046

16. Prasenjit Chanak, Tuhina Samanta, Indrajit Banerjee. Fault-tolerant multipath routing scheme for energy efficient wireless sensor networks // International Journal of Wireless & Mobile Networks (IJWMN). 2013. V. 5. N 2. P. 33-45. doi: 10.5121/ijwmn.2013.5203

17. Krouk E., Semenov S. Application of coding at the network transport level to decrease the message delay // Proc. 3rd International

References

1. Aysan H. Fault-Tolerance Strategies and Probabilistic Guarantees for Real-Time Systems. Vasteras, Sweden, Malardalen University, 2012, 190 p.

2. Cheng S.T., Chen C.M., Tripathi S.K. Fault-tolerance model for multiprocessor real-time systems. Journal of Computer and System Sciences, 2000, vol. 61, no. 3, pp. 457-477. doi: 10.1006/jcss.2000.1704

3. Tatarnikova T.M. Analytical-statistical model of mesh network survivability evaluation. Information and Control Systems, 2017, no. 1(86), pp. 17-22. (in Russian). doi: 10.15217/issnl684-8853.2017.1.17

4. Shooman M.L. Reliability of Computer Systems and Networks: Fault Tolerance, Analysis, and Design. John Wiley & Sons, 2002, 552 p.

5. Shubinskii I.B. Reliable Fault-Tolerant Information Systems. Synthesis Methods. Ulyanovsk, Pechatnyj dvor Publ., 2016, 544 p. (in Russian)

6. Tatarnikova T.M., Elizarov M.A. Model of estimating temporal characteristics of IoT network interaction. Information and Control Systems, 2017, no. 2(87), pp. 44-50. (in Russian). doi: 10.15217/issnl684-8853.2017.2.44

7. Tatarnikova T.M., Kutuzov O.I. Model of a self-similar traffic generator and evaluation of buffer storage for classical and fractal queuing system. Proc. 1st Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT 2018), 2018, pp. 1-3. doi: 10.1109/MWENT.2018.8337306

8. Polese M., Chiariotti F., Bonetto E., Rigotto F., Zanella A., Zorzi M. A survey on recent advances in transport layer protocols. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2019, vol. 21, no. 4, pp. 3584-3608. doi: 10.1109/C0MST.2019.2932905

9. Iyengar J., Thomson M. QUIC: A UDP-based multiplexed and secure transport. IETF, Working Draft: draft-ietf-quic-transport-08, Dec.

2017. Available at: https://tools.ietf.org/id/draft-ietf-quic-transport-08. txt (accessed: 28.05.2020).

10. Viernickel T., Froemmgen A., Rizk A., Koldehofe B., Steinmetz R. Multipath QUIC: A deployable multipath transport protocol. Proc. IEEE International Conference on Communications (ICC 2018),

2018, pp. 8422951. doi: 10.1109/ICC.2018.8422951

11. Bogatyrev V. A., Bogatyrev A.V. Functional reliability of a real-time redundant computational process in cluster architecture systems. Automatic Control and Computer Sciences, 2015, vol. 49, no. 1, pp. 46-56. doi: 10.3103/S0146411615010022

12. Bogatyrev V.A., Bogatyrev A.V. The model of redundant service requests real-time in a computer cluster. Informacionnye Tehnologii, 2016, vol. 22, no. 5, pp. 348-355. (in Russian)

13. Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V. Redundant data transmission using aggregated channels in real-time network. Journal of Instrument Engineering, 2016, vol. 59, no. 9, pp. 735-740. (in Russian). doi: 10.17586/0021-3454-2016-59-9-735-740

14. Lee M.H., Dudin A.N., Klimenok V.I. The SM/V/N queueing system with broadcasting service. Mathematical Problems in Engineering, 2006, vol. 2006, pp. 98171. doi: 10.1155/MPE/2006/98171

15. Dudin A.N., Sun' B. A multiserver MAP/PH/N system with controlled broadcasting by unreliable servers. Automatic Control and Computer Sciences, 2009, vol. 43, no. 5, pp. 247-256. doi: 10.3103/S0146411609050046

16. Prasenjit Chanak, Tuhina Samanta, Indrajit Banerjee. Fault-tolerant multipath routing scheme for energy efficient wireless sensor networks. International Journal of Wireless & Mobile Networks (IJWMN), 2013, vol. 5, no. 2, pp. 33-45. doi: 10.5121/ijwmn.2013.5203

17. Krouk E., Semenov S. Application of coding at the network transport level to decrease the message delay. Proc. 3rd International

Symposium on Communication Systems Networks and Digital Signal Processing. Staffordshire University, UK, 2002. P. 109-112.

18. Богатырев В.А., Богатырев А.В., Богатырев С.В. Перераспределение запросов между вычислительными кластерами при их деградации // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2014. Т. 57. № 9. С. 54-58.

19. Богатырев В.А., Богатырев С.В. Богатырев А.В. Оптимизация кластера с ограниченной доступностью кластерных групп // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2011. № 1(71). С. 63-67.

20. Bogatyrev V.A., Parshutina S.A. Redundant distribution of requests through the network by transferring them over multiple paths // Communications in Computer and Information Science. 2016. V. 601. P. 199-207. doi: 10.1007/978-3-319-30843-2_21

21. Bogatyrev V.A., Slastikhin I., The models of the redundant transmission through the aggregated channels // Advances in Computer Science Research. 2017. V. 72. P. 294-299. doi: 10.2991/itsmssm-17.2017.60

22. Носков И.И., Богатырев В.А., Сластихин И.А. Имитационная модель локальной компьютерной сети с агрегированием каналов и случайным методом доступа при резервировании передач // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 6(118). С. 1047-1053. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-6-1047-1053

23. Носков И.И. Моделирование компьютерной сети с отказоустойчивым шлюзом в среде OMNeT++ // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 4. С. 673-679. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-4-673-679

24. Noskov I.I., Bogatyrev V.A. Multipath redundant transmissions of critical to delays packets based on UDP protocol // CEUR Workshop Proceedings. 2020. V. 2590. P. 1-12.

25. Carpenter B., Brim S. Middleboxes: Taxonomy and issues // IETF, RFC 3234, Feb. 2002 [Электронный ресурс]. URL: https://rfc-editor.org/rfc/rfc3234.txt (дата обращения: 03.06.2020).

26. Edeline K., Donnet B. A first look at the prevalence and persistence of middleboxes in the wild // Proc. 29th International Teletraffic Congress (ITC). Genoa, Italy. 2017. V. 1. P. 161-168. doi: 10.23919/ITC.2017.8064352

27. Papastergiou G., Fairhurst G., Ros D., Brunstrom A., Grinnemo K., Hurtig P., Khademi N., Tflxen M., Welzl M., Damjanovic D., Mangiante S. De-ossifying the Internet transport layer: A survey and future perspectives // IEEE Communications Surveys and Tutorials. 2017. V. 19. N 1. P. 619-639. doi: 10.1109/COMST.2016.2626780

28. Богатырев В.А., Богатырев С.В. Эффективность резервирования и фрагментации пакетов при передаче по агрегированным каналам // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2017. Т. 60. № 2. С. 165-170. doi: 10.17586/0021-3454-2017-60-2-165-170

Symposium on Communication Systems Networks and Digital Signal Processing. Staffordshire University, UK, 2002, pp. 109-112.

18. Bogatyrev V.A., Bogatyrev A.V., Bogatyrev S.V. Requests redistribution between computing clusters under degradation. Journal of Instrument Engineering, 2014, vol. 57, no. 9, pp. 54-58. (in Russian)

19. Bogatyrev V., Bogatyrev S., Bogatyrev A. Clusters optimisation with the limited availability of clusters groups. Scientific and Technical Bulletin of St. Petersburg State University of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2011, no. 1(71), pp. 63-67. (in Russian)

20. Bogatyrev V.A., Parshutina S.A. Redundant distribution of requests through the network by transferring them over multiple paths. Communications in Computer and Information Science, 2016, vol. 601, pp. 199-207. doi: 10.1007/978-3-319-30843-2_21

21. Bogatyrev V.A., Slastikhin I., The models of the redundant transmission through the aggregated channels. Advances in Computer Science Research, 2017, vol. 72, pp. 294-299. doi: 10.2991/itsmssm-17.2017.60

22. Noskov I.I., Bogatyrev V.A., Slastikhin I.A. Simulation model of local computer network with channel aggregation and random access method at redundant transfer. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2018, vol. 18, no. 6, pp. 10471053 (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-6-1047-1053

23. Noskov I.I. Modeling of computer network with fault-tolerance gateway in OMNET++. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2019, vol. 19, no. 4, pp. 673679. (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-4-673-679

24. Noskov I.I., Bogatyrev V.A. Multipath redundant transmissions of critical to delays packets based on UDP protocol. CEUR Workshop Proceedings, 2020, vol. 2590, pp. 1-12.

25. Carpenter B., Brim S. Middleboxes: Taxonomy and issues. IETF, RFC 3234, Feb. 2002. Available at: https://rfc-editor.org/rfc/rfc3234.txt (accessed: 03.06.2020).

26. Edeline K., Donnet B. A first look at the prevalence and persistence of middleboxes in the wild. Proc. 29th International Teletraffic Congress (ITC). Genoa, Italy, 2017, vol. 1, pp. 161-168. doi: 10.23919/ITC.2017.8064352

27. Papastergiou G., Fairhurst G., Ros D., Brunstrom A., Grinnemo K., Hurtig P., Khademi N., Tüxen M., Welzl M., Damjanovic D., Mangiante S. De-ossifying the Internet transport layer: A survey and future perspectives. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2017, vol. 19, no. 1, pp. 619-639. doi: 10.1109/C0MST.2016.2626780

28. Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V. Effectiveness of redundancy and packet fragmentation in transmission via aggregated channels. Journal of Instrument Engineering, 2017, vol. 60, no. 2, pp. 165-170. (in Russian). doi: 10.17586/0021-3454-2017-60-2-165-170

Авторы

Носков Илья Игоревич — аспирант, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, ОЯСГО ГО: 0000-0002-5489-4092, [e-mail]

Authors

Ilya I. Noskov — Postgraduate, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, ORCID ID: 0000-0002-5489-4092, [e-mail]

Simulation of computer network with switch and packet reservation

Ilya Noskov, Vladimir Bogatyrev, and Ivan Slastikhin

ITMO University, Saint-Petersburg, Russia [e-mail],vladimir.bogatyrevSgmail.com,[e-mail]

Abstract. Simulation model of computer network based on switch Ethernet and redundant transfer is developed and researched. Efficiency of this model using on configurations with different redundancy ratio is defined. The aim of the work is the studying of the redundant transfer in computer networks. The efficiency analysis of the redundant packet transmissions is carried out on the basis of simulation modeling. The complex efficiency of the redundant packet transmission is determined based on the multiplicative index, which takes into account the error-free transmission and the average time margin relative to the maximum permissible transmission delay. The presented results can be used in the design of the high-reliable computer systems including the computer systems providing real-time services. Recommendations for using the presented results are described in the assigned section of this paper and in the conclusion.

m Keywords: Simulation modeling, network switch, computer networks,

^ channel aggregation, redundant transfer, OMNeT++.

1 Introduction

Currently, there is important problem of increasing the reliability, fault tolerance,

security and performance of distributed computing systems and networks of

various application purposes, including those operating in real time under the ° conditions of possible targeted destructive impact on the channel in order to

distort the transmitted data or prevent transmission at all [1-5]. ^ The reliability and fault tolerance assurance of networks [6] with the re-

duced delays during load balancing is achieved when the communication channels are reserved and aggregated, which is important for the real-time systems, g Using high-level protocols, which guaranteed delivery, such as the TCP protocol

w (Transmission Control Protocol), is impossible, since the relevance of the trans-

mitted data is lost for a period of time during which the packet loss will be higher, and the transfer process will be reinitiated.

Using reservation at service of requests for sending packets is perspective approach to solve the problem of timeliness of data delivery at the link channel. This solution is modification of concept reducing delays of service in computer

systems with cluster architecture [7] based on dynamic redistribution and redundant service of requests in different nodes of cluster. The effectiveness of improving the timeliness of transmissions based on redundancy in networks in a client-server architecture without detailing of the choice of protocols and network equipment is researched in paper.

Efficiency of redundant transmissions at peer-to-peer interconnection in switching net-work is researched in this article.

2 The purpose of this work

The purpose of this work is studying of improving of packets timely delivery probability in the local computer networks based on the switched Ethernet at reservation of network switches and creating copy of packets which will be send for target node via different switch-es. The environment for modeling computer networks OMNeT++ was chosen as a simulation package. This environment provides the user with the ability to build networks based on the real network protocols at all levels of the reference network model. To achieve this goal, it is necessary to develop the computer network models in the OMNeT++ environment, conduct experiments with various options for the channel aggregation, and highlight areas for the rational use of the computer network to improve the efficiency of the computing system in the conditions of unreliable transmissions.

3 The object and objectives of the study

The object of the study is the distributed computer network which consists of n network switches and m peer-to-peer clients connected to switches which generate the data destined to each other at random times. Scheme of considered computer networks and traffic directions are shown at Fig. 1.

The probability of the bit errors in each of the communication channels of this system is B. The data flow generated by each client is the simplest with the intensity . To increase the probability of delivering messages to the server in this system with the channel redundancy the transfer of the packet copy transmissions with multiplicity K is applied, where K shows how many switches are used to deliver the copies of the packet to the server from each client. However, it should be worth considering that switches like other net-work equipment have input and output queues and with increasing redundancy ratio in the system increases the probability of delivery; however the size of queues in switches also in-creases which entails the increase of the total frame stay time in the system. Channel division between clients helps to realize ability of redundant transfer. For ex-ample, if K = 2 then every client send own traffic via two network switches, if K = 3 then client send via three network switches etc. In this way, delivery probability is increasing. Criterion for evaluating the effectiveness of using one or another method of the redundant packet transmission, which is the criterion M = P(t0 T), reflecting the average time of error-free and timely transmitted packets from the client to the server, where P is the probability of

Client j Sn itch h Client m

Fig. 1: Computer network system.

the timely and error-free package delivery, defined by simulation, t0 is the time limit for the timely delivery acceptable for a given system, T is the average time the package has been in the system.

4 Developing simulation model

The OMNeT++ simulation environment provides many different network protocols and traffic generators using these protocols. In this work, the UDP protocol (User Datagram Protocol) is used, as it is assumed to transmit the data sensitive to the delay for controlling actions on the real-time system. OMNeT++ environment implements various types of generators and users of UDP traffic. The UDPBasicApp application generates packets of a certain size with a given intensity to the address specified in the configuration file. The UDPSink application listens to the specified port and receives all packets that came to the socket from the source. However the application data models do not assume the use of the redundant transmission: the generator application sends only one packet to a given communication channel, and the recipient application cannot recognize copies of the same packet and receives them all, assuming that they are different packets from the source. The OMNeT++ modeling system is writ-ten in the C ++ programming language and allows to modify the kernel of the system and the developed models. To enable the development of the models with the redundant transmissions, new application classes that extend existing ones have been developed. This classes allow to send copies of packets via different channels for redundant transmissions.

The simulation model of the above system with three switches and six peer-to-peer clients was built after finalizing the components for modeling. This model is based on the EtherSwitch switch model and the StandardHost model, which

represents the clients and server of the simulated system. Fig. 2 shows the constructed model of the system under investigation in the OMNeT ++ environment. The developed model allows to set the parameters in the configuration files and the initialization files of the modeling process for the study and study of various options for the implementation of the transmission redundancy.

configurator Manager

Fig. 2: The simulation model of the network with the possibility of the redundant transfers in the OMNeT +—+ environment.

All clients are divided into groups of two, for example Client_1 and Client_4, Client_2 and Client_5 and so on. In every group all clients send and receive traffic. In case of the redundant transmission every switch is used by more than one client.

We will conduct a series of experiments with specified parameters and varying the redundancy ratio: L = 10 Mbit/s - bandwidth of the communication channels connecting clients and the server to the switches, t0 = 0.0005 s - delivery time margin, B = 0.0001 - bit probability channel errors, = 2000 1/s - the packet receipt intensity, the packet length for the entire modeling process is assumed to be 100 bytes.

Fig. 3 shows the chart of the criterion M on the redundancy multiplicity of trans-missions K at a packet arrival rate of 2000 1/s and 5000 1/s. It can be seen from the chart that the selected performance criterion M takes large values at lower intensity, which indicates small queue sizes in network switches. At greater intensity and with an increase in the multiplicity of redundancy due to the transmission of copies of the queue packets in the commutators they grow which leads to an increase in the residence time of packets in the system and reduces the value of the efficiency criterion. Thus, in this network configuration packet trans-mission with less intensity is more efficient.

MX lfr4, £ 0,24 0,23 0,22 0,21 0,2 0,19 0,1S 0,17 0,16

1

* '

1

2

3 KA

Fig. 3: The dependence of the efficiency criterion M on the redundancy ratio K: at an intensity of 2000 packets per second (curve 1); at an intensity of 5000 packets per

second (curve 2).

Fig. 4 shows the chart of the criterion M on the intensity of the packet arrival at various transmission redundancy coefficients. It can be seen from the chart that an increase in the transfer redundancy factor is not effective over the entire range of permissible intensity values. There is a visible area in which transmission with a high redundancy ratio is more efficient in a single network configuration. After overcoming the intensity threshold of 5000 packets per second the redundancy scheme becomes less efficient. The result is due to an increase in the amount of traffic on the network which leads to the emergence of queues in the network switches. Due to delays of the transmitted packets in queues of network switches the residence time of packets in the system is increased and the overall efficiency of the transmission decreases. The probability of the packages delivery increases. To achieve transmission efficiency at an intensity of up to 5000 packets per second the redundant scheme should be used, with an increase in intensity, an unreserved scheme should be used. It is necessary to use the redundant scheme to ensure a greater probability of delivery. However, in this case the aver-age residence time of the packet in the system will increase due to will increase queues in network switches.

5 Conclusion

Simulation model of computer network based on switch Ethernet that allows increasing transmission redundancy is developed via OMNet++ simulation environment. Simulation experiment with different intensity and redundancy ratio are carried out. Areas of applications of transfer redundancy at channel aggregation in computer networks based on switch Ethernet are identified.

Mx 1 0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

0

1500 2500 3500 4500 5500 x, 1/s

Fig. 4: The dependence of the efficiency criterion M on the intensity of packet arrival: with the multiplicity of the reservation K = 1 (curve 1); with the multiplicity of redundancy K = 3 (curve 2).

References

1. Kopetz H. Real-Time Systems: Design Principles for Distributed Embedded Applications. Springer, pp. 396, 2011.

2. Sorin D. Fault Tolerant Computer Architecture. Morgan & Claypool 2009. 103 p.

3. Dudin, A. N., Sun, B. A multiserver MAP/PH/N system with controlled broadcasting by unreliable servers // Automatic Control and Computer Sciences, 2009, No. 5, pp. 32-44.

4. Aliev T.I. The synthesis of service discipline in systems with limits // Communications in Computer and Information Science. 2016. V. 601. P. 151-156. doi: 10.1007/978-3-319-30843-2_16.

5. Tatarnikova T., Kolbanev M. Statement of a Task Corporate Information Networks Interface Centers Structural Synthesis // IEEE EUROCON. Saint-Petersburg, 2009. P. 1883-1887.

6. Bogatyrev V.A., Vinokurova M.S. Control and Safety of Operation of Duplicated Computer Systems // Communications in Computer and Information Science -2017, Vol. 700, pp. 331-342

7. Arustamov, S.A., Bogatyrev, V.A., Polyakov, V.I. Back Up Data Transmission in Real-Time Duplicated Computer Systems // Advances in Intelligent Systems and Computing, IET2016, Vol. 451, pp. 103-109.

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИИ ВЕСТНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ ноябрь-декабрь 2018 Том 18 № 6 ISSN 2226-1494 http://ntv.i1mo.ru/

SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL OF INFORMATION TECHNOLOGIES, MECHANICS AND OPTICS November-December 2018 Vol. 18 No 6 ISSN 2226-1494 http://ntv.i1mo.ru/en

УДК 004.75

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЛОКАЛЬНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ С АГРЕГИРОВАНИЕМ КАНАЛОВ И СЛУЧАЙНЫМ МЕТОДОМ ДОСТУПА

ПРИ РЕЗЕРВИРОВАНИИ ПЕРЕДАЧ И.И. Носков", В.А. Богатырев"^, И.А. Сластихин"

" Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация

b Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, Санкт-Петербург, 190000, Российская Федерация

Адрес для переписки: [e-mail] Информация о статье

Поступила в редакцию 28.09.18, принята к печати 29.10.18 doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-6-1047-1053 Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Носков И.И., Богатырев В.А., Сластихин И.А. Имитационная модель локальной компьютерной сети с агрегированием каналов и случайным методом доступа при резервировании передач // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 6. С. 1047-1053. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-6-1047-1053

Аннотация

Предмет исследования. Построена и исследована имитационная модель компьютерной сети и случайным доступом к каналам и возможностью предоставления резервирования передач. Выявлена эффективность использования модели на сетях с разным коэффициентом резервирования. Проанализирована эффективность резервирования передач в компьютерных сетях, построенных на базе общей шины. Метод. Эффективность использования резервирования передач проанализирована с помощью имитационного моделирования компьютерных сетей. Показателем эффективности служит мультипликативный критерий, учитывающий средний запас времени на передачу пакетов и безошибочность доставки. Основные результаты. Разработана модель компьютерной сети на общей шине, позволяющая выполнять резервирование передач путем отправки копий пакетов по нескольким каналам связи. При выполнении экспериментов варьировались кратность резервирования и интенсивность поступления пакетов в систему. Разработана имитационная модель компьютерной сети, обеспечивающая возможность резервирования передач. На основе полученных в имитационных экспериментах результатов выделена область эффективности применения резервированных передач в сетях, основанных на случайном доступе и имеющих ограничения на среднее время доставки. Практическая значимость. Представленные результаты могут быть использованы при проектировании надежных компьютерных систем, в том числе систем реального времени. Ключевые слова

компьютерные сети, резервирование передач, имитационное моделирование, агрегирование каналов, случайный метод доступа

SIMULATION MODEL OF LOCAL COMPUTER NETWORK WITH CHANNEL AGGREGATION AND RANDOM ACCESS METHOD

AT REDUNDANT TRANSFER I.I. Noskov", V.A. Bogatyreva,b, I.A. Slastikhin"

aITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation

bSaint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, Saint Petersburg, 190000, Russian Federation Corresponding author: [e-mail] Article info

Received 28.09.18, accepted 29.10.18

doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-6-1047-1053

Article in Russian

For cit"tion: Noskov I.I., Bogatyrev V.A., Slastikhin I.A. Simulation model of local computer network with channel aggregation and random access method at redundant transfer. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2018, vol. 18, no. 6, pp. 1047-1053 (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-6-1047-1053.

Abstract

Subject of Rese"rch. Computer network simulation model with random access to channels and redundant transfer is developed and researched. Efficiency of this model application on configurations with different redundancy coefficient is defined. The efficiency of redundant transfer in computer networks based on common bus topology is studied. Method. The efficiency analysis of the

redundant packet transmissions is carried out on the basis of computer network simulation modeling. The performance index is determined on the basis of the multiplicative criterion, which takes into account the error-free transmission and the average time margin relative to the maximum permissible transmission delay. Main Results. Computer network model with common bus topology is developed. This model gives the possibility to transmit packets via several channels and provides redundant transfer of data. Intensity and redundancy coefficient are changed while experiments were carried out. Simulation model of computer network with redundant transfer opportunity is developed. On the basis of obtained results in simulation experiments the domain of application efficiency is defined for redundant transmissions in networks based on random access and limited in average time of delivery. Practical Relevance. The presented results can be used in the design of high-reliable computer systems including computer systems providing real-time services. Keywords

computer networks, redundant transfer, simulation modeling, channel aggregation, random access method

Введение

В настоящее время актуальна задача повышения надежности [1-3], отказоустойчивости [4, 5], безопасности [5, 6] и производительности [7-12] распределенных вычислительных систем и сетей различного прикладного назначения [13-16], в том числе функционирующих в реальном масштабе времени [17, 18] в условиях возможного целенаправленного деструктивного воздействия на канал [5] с целью исказить передаваемые данные или вовсе предотвратить передачу. Обеспечение надежности и отказоустойчивости сетей со снижением задержек при балансировке загрузки достигается при резервировании каналов связи и их агрегации. Применение для гарантированной доставки протоколов более высокого, чем канальный, уровня, например транспортного протокола TCP (Transmission Control Protocol), не представляется возможным, так как актуальность передаваемых данных теряется за время, в течение которого будет выявлена потеря пакета более высоким уровнем и повторно инициирован процесс передачи.

В работах, посвященных системам с агрегированными каналами [19, 20], не уделяется должного внимания моделированию [21-23] и изучению процесса передачи данных с использованием протоколов реальных компьютерных сетей. Моделирование компьютерной сети с агрегированием каналов при резервировании передач позволит выделить области применения тех или иных методов в построении реальных отказоустойчивых вычислительных систем [24-26], построенных на базе современных сетевых протоколов.

Целью настоящей работы является исследование возможности повышения эффективности передачи трафика в реальном времени для локальных компьютерных сетей со случайным доступом и обнаружением коллизий (CSMA/CD) при агрегировании каналов связи и резервировании передач копий пакетов по разным каналам. Для достижения указанной цели необходимо разработать модели компьютерных сетей в среде OMNeT++, провести эксперименты с различными вариантами агрегирования каналов и выделить области применения той или иной конфигурации сети для повышения эффективности работы вычислительной системы в условиях ненадежности передач.

В качестве пакета моделирования выбрана среда OMNeT++1, предоставляющая пользователю возможности в построении сетей, основанных на реальных сетевых протоколах всех уровней эталонной сетевой модели [27, 28].

Объект и задачи исследования

Объектом исследования является компьютерная сеть, состоящая из n каналов связи, представляющих собой разделяемую среду передачи данных, и m клиентов, подключенных к этим каналам, которые в случайные моменты времени генерируют данные, предназначенные серверу (рис. 1).

Рис. 1. Система передачи данных с несколькими каналами

1 https://omnetpp.org/

Вероятность битовых ошибок в каждом из каналов связи данной системы равна B. Интенсивность потока данных, генерируемых каждым клиентом, равна X.

Для повышения вероятности доставки сообщений до сервера в данной системе применяется резервирование передач копий пакетов с кратностью K. Значение K соответствует числу каналов связи, по которым происходит передача копии пакета для сервера от каждого клиента. Однако стоит учитывать, что эти каналы связи являются разделяемой средой, и при повышении кратности резервирования в системе увеличивается вероятность доставки, однако возникает больше коллизий, и время доступа к среде для каждого клиента увеличивается, что влечет за собой увеличение общего времени пребывания кадра в системе.

В системе предусмотрено два вида увеличения кратности числа передач:

1) разделение каналов передачи между клиентами. Так, при K = 2 первый клиент передает копии кадров по первому и второму каналам связи, а второй - по второму и третьему и т.д.;

2) выделение нескольких каналов в монопольное пользование одному клиенту. Так, при K = 2 первый клиент будет передавать копии своих кадров по первому и второму каналам, а второй - по третьему и четвертому. При этом снижается вероятность возникновения коллизий в системе, однако увеличиваются затраты на выделение отдельных каналов при их возможном недоиспользовании.

Рассмотрим более детально первый способ организации резервирования передач.

Разработка имитационной модели компьютерной сети в среде OMNeT++

Среда моделирования OMNeT++ предоставляет множество различных сетевых протоколов и генераторов трафика, использующих эти протоколы. В настоящей работе использован UDP (User Datagram Protocol), так как предполагается передача данных, чувствительных к задержке для управляющих воздействий на систему реального времени. В среде OMNeT++ реализованы различные виды генераторов и потребителей UDP-трафика. Приложение UDPBasicApp передает пакеты определенного размера с заданной интенсивностью по адресу, указанному в конфигурационном файле [28]. В свою очередь, приложение UDPSink принимает все пришедшие в сокет пакеты от источника. Однако модели данных приложений не предполагают использования резервированной передачи: приложение-генератор отправляет только один пакет в заданный канал связи, а приложение-получатель не может распознавать копии одного и того же пакета и принимает их все, предполагая, что это различные пакеты. В написанной на языке программирования C++ системе моделирования OMNeT++ возможно дорабатывать ядро системы и разработанные модели. Для возможности построения моделей с резервированными передачами были разработаны новые классы приложений, расширяющие существующие.

UDPBasicAppCopy является расширением базового класса и позволяет задавать в его конфигурации несколько адресов, по которым будет производиться передача по различным каналам связи с целью увеличения вероятности доставки пакетов и выполнения резервированной передачи. При генерации и отправке пакета в ядре сетевого симулятора данное приложение осуществляет копирование пакета и отправку его копий в основной и резервные каналы связи. С целью корректной идентификации пакетов на принимающей стороне основному пакету и его копиям присваивается один идентификационный номер. На рис. 2 приведен пример конфигурации доработанного приложения, в которой заданы адреса для резервированной передачи, порт назначения приложения сервера, размер пакетов, интервал между пакетами, другие параметры.

11 . Client_l .udpApp [О] . typename = "UDPBasicAppCopy" * * . Client_l .udpApp [ :■] . destAddresses = "10.10.10.6 10.10.20.6"

Client 1 .udpApp []■]. sendlnterval = exponential ( 0. 0001s)

Рис. 2. Конфигурация генератора UDP-трафика на клиенте

В этой конфигурации задается одно UDP-приложение для первого клиента с заданным номером порта назначения и длиной пакета. Также тут заданы два IP-адреса сервера с целью резервной отправки пакетов по двум каналам связи.

UDPSinkCopy расширяет базовый класс приемника UDP-трафика и позволяет принимать пакеты, отбрасывая лишние с одинаковым идентификационным номером. Настройка данного приложения является тривиальной и состоит только в задании номера порта.

После доработки компонентов для моделирования была построена имитационная модель рассмотренной выше системы с пятью каналами связи и с пятью клиентами. Модель построена на основе общей шины EtherBus, представляющей собой разделяемую среду, и модели StandardHost,

представляющей собой клиентов и серверы моделируемой системы. На рис. 3 приведена построенная модель исследуемой системы в среде ОМ№Т++.

С e-t_5

Рис. 3. Имитационная модель сети с возможностью резервирования передач в среде OMNeT++

Разработанная модель позволяет задавать параметры в конфигурационных файлах и файлах инициализации процесса моделирования для изучения различных вариантов резервирования передач.

Исследование работы компьютерной сети при агрегировании каналов связи с резервированием передач и разделением каналов между узлами сети

Перед проведением имитационных экспериментов необходимо ввести критерий оценки эффективности использования того или иного способа резервированной передачи пакетов. Критерий M = P(t0 - T) [19] отражает среднее время безошибочной и своевременной передачи пакетов от клиента к серверу, где P -вероятность своевременной и безошибочной доставки пакета, определенной имитационно, t0 - ограничение времени на своевременную доставку, приемлемое для заданной системы, T - среднее время пребывания пакета в системе.

При резервированной передаче с разделением каналов между узлами каждый канал связи используется более чем одним узлом. Проведем имитационные эксперименты с разными значениями коэффициента резервирования и заданными параметрами L = 10 Мбит/с (скорость классического Ethernet) - пропускная способность общей шины и каналов связи, соединяющих клиентов с шиной, t0 = 0,00025 с - запас времени на доставку, B = 0,0001 - вероятность битовой ошибки в канале, X = 1000 1/с - интенсивность поступления пакетов, длина пакетов для всего процесса моделирования принята 100 Б.

На рис. 4 представлены зависимости значения M от кратности резервирования передач K при интенсивности поступления пакетов 1000 и 2000 1/с. Из графиков видно, что выбранный критерий эффективности M принимает большие значения при меньшей интенсивности, что говорит о наличии коллизий и увеличении попыток передач при большей интенсивности, что влечет за собой рост времени нахождения пакетов в системе. Таким образом, в такой сетевой конфигурации более эффективна передача пакетов с меньшей интенсивностью.

Рис. 4. Зависимость эффективности М от кратности резервирования К: при интенсивности 1000 пакетов в секунду (1); при интенсивности 2000 пакетов в секунду (2)

На рис. 5 отображена зависимость М от интенсивности поступления пакетов при различном коэффициенте резервирования передач. Видно, что увеличение К эффективно не на всей области допустимых значений интенсивности. Видна область, в которой на одной сетевой конфигурации более эффективна передача с большим коэффициентом резервирования. Так, на графике точка с интенсивностью 4000 пакетов в секунду является переломной, после которой использование К=1 более эффективно. Полученный результат объясняется увеличением количества передач при повышении коэффициента резервирования, что при использовании алгоритма, основанного на множественном доступе, приводит к большей пропускной способности каналов связи и увеличению количества коллизий, а следовательно числа передач, и снижению общей эффективности передач.

Мх10-4, с 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

1000 2000 3000 4000 X, 1/с

Рис. 5. Зависимость эффективности М от интенсивности поступления пакетов X:

при К = 1 (1); при К = 2 (2)

Заключение

Разработана имитационная модель компьютерной сети со случайным доступом и возможностью увеличения резервирования передач в среде ОМ№Т++. Проведены имитационные эксперименты по оценке эффективности передач с различной интенсивностью и с варьированием коэффициента резервирования. Выявлены области применения эффективного резервирования передач при агрегировании каналов связи в сетях со случайным доступом, основанных на алгоритме CSMA/CD.

Литература

1. Aysan H. Fault-Tolerance Strategies and Probabilistic Guarantees for Real-Time Systems. Vasteras, Sweden, Malardalen University, 2012. 190 p.

2. Cheng S.T., Chen C.M., Tripathic S.K. Fault-tolerance model for multiprocessor real-time systems // Journal of Computer and System Sciences. 2000. V. 61. N 3. P. 457-477. doi: 10.1006/jcss.2000.1704

3. Kopetz H. Real-Time Systems: Design Principles for Distributed Embedded Applications. Springer, 2011. 396 p. doi: 10.1007/978-1-4419-8237-7

4. Shooman M.L. Reliability of Computer Systems and Networks: Fault Tolerance, Analysis, and Design. John Wiley & Sons, 2002. 552 p.

5. Шубинский И.Б. Надежные отказоустойчивые информационные системы. Методы синтеза. М., 2016. 544 с.

6. Верзун Н.А., Колбанев М.О., Татарникова Т.М. Технологическая платформа четвертой промышленной революции // Геополитика и безопасность. 2016. N° 2(34). С. 73-78.

7. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979. 432 с.

8. Aliev T.I. The synthesis of service discipline in systems with limits // Communications in Computer and Information Science. 2016. V. 601. P. 151-156. doi: 10.1007/978-3-319-30843-2_16

9. Жмылёв С.А., Алиев Т.И. Системы массового обслуживания с полимодальными потоками // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 3(115). С. 473-478. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-3-473-478

10. Алиев Т.И., Муравьева-Витковская Л.А. Приоритетные стратегии управления трафиком в мультисервисных компьютерных сетях // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54. № 6. С. 44-48.

11. Lee M.H., Dudin A.N., Klimenok V.I. The SM/V/N queueing system with broadcasting service // Mathematical Problem in Engineering. 2006. V. 2006. Art. 98171. doi:

References

1. Aysan H. Fault-Tolerance Strategies and Probabilistic Guarantees for Real-Time Systems. Vasteras, Sweden, Malardalen University, 2012, 190 p.

2. Cheng S.T., Chen C.M., Tripathic S.K. Fault-tolerance model for multiprocessor real-time systems. Journal of Computer and System Sciences, 2000, vol. 61, no. 3, pp. 457-477. doi: 10.1006/jcss.2000.1704

3. Kopetz H. Real-Time Systems: Design Principles for Distributed Embedded Applications. Springer, 2011, 396 p. doi: 10.1007/978-1 -4419-8237-7

4. Shooman M.L. Reliability of Computer Systems and Networks: Fault Tolerance, Analysis, and Design. John Wiley & Sons, 2002, 552 p.

5. Shubinskii I.B. Reliable Fault-Tolerant Information Systems. Synthesis Methods. Moscow, 2016, 544 p. (in Russian)

6. Verzun N.A., Kolbanev M.O., Tatarnikova T.M. The technological platform of the fourth industrial revolution. Geopolitics and Security, 2016, no. 2, pp. 73-78. (in Russian)

7. Kleinrock L. Queueing Systems. NY, Wiley Interscience, 1975.

8. Aliev T.I. The synthesis of service discipline in systems with limits. Communications in Computer and Information Science, 2016, vol. 601, pp. 151-156. doi: 10.1007/978-3-319-30843-2_16

9. Zhmylev S.A., Aliev T.I. Queue systems with polymodal query flows. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2018, vol. 18, no. 3, pp. 473-478 (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-3-473-478

10. Aliev T.I., Muravyeva-Vitkovskaya L.A. Priority-based strategies of traffic management in multiservice computer networks. Journal of Instrument Engineering, 2011, vol. 54, no. 6, pp. 44-48. (in Russian)

11. Lee M.H., Dudin A.N., Klimenok V.I. The SM/V/N queueing system with broadcasting service. Mathematical Problem in Engineering, 2006, vol. 2006, art. 98171. doi: 10.1155/MPE/2006/98171

12. Dudin A.N., Sun' B. A multiserver MAP/PH/N system with

10.115 5/MPE/2006/98171

12. Dudin A.N., Sun' B. A multiserver MAP/PH/N system with controlled broadcasting by unreliable servers // Automatic Control and Computer Sciences. 2009. V. 43. N 5. P. 247-256. doi: 10.3103/S0146411609050046

13. Korobeynikov A.G., Fedosovsky M.E., Maltseva N.K., Baranova O.V., Zharinov I.O., Gurjanov A.V., Zharinov O.O. Use of information technologies in design and production activities of instrument-making plants // Indian Journal of Science and Technology. 2016. V. 9. N 44. doi: 10.17485/ijst/2016/v9i44/104708

14. Гришенцев А.Ю., Коробейников А.Г., Дукельский К.В. Метод численной оценки технической интероперабельно-сти // Кибернетика и программирование. 2017. № 3. С. 23-38. doi: 10.25136/2306-4196.2017.3.23540

15. Абрамян Г.В. Структура и функции информационной системы мониторинга и управления рисками развития малого и среднего бизнеса северо-западного федерального округ // Аудит и финансовый анализ. 2017. N° 5-6. С. 611-617.

16. Gatchin Y.A., Zharinov I.O., Korobeynikov A.G., Zharinov O.O. Theoretical estimation of Grassmann's transformation resolution in avionics color coding systems // Modern Applied Science. 2015. V. 9. N 5. P. 197-210. doi: 10.5539/mas.v9n5p197

17. Богатырев В.А., Богатырев С.В. Резервированное обслуживание в кластерах с уничтожением неактуальных запросов // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2017. № 1(151). С. 21-28. doi: 10.14489/vkit.2017.01.pp.021-028

18. Богатырев В.А., Богатырев С.В. Эффективность резервирования и фрагментации пакетов при передаче по агрегированным каналам // Изв. вузов. Приборостроение. 2017. Т. 60. № 2. С. 165-170. doi: 10.17586/0021-3454-2017-60-2-165-170

19. Богатырев В.А., Сластихин И.А. Резервирование передач через агрегированные каналы, разделяемые на группы // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 6(106). С. 1137-1140. doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-6-1137-1140

20. Богатырев В.А. Отказоустойчивость и сохранение эффективности функционирования многомагистральных распределенных вычислительных систем // Информационные технологии. 1999. № 9. С. 44-48.

21. Кутузов О.И., Татарникова Т.М. Моделирование систем и сетей телекоммуникаций. СПб: РГГМУ, 2012. 134 c.

22. Кутузов О.И., Татарникова Т.М. Ускоренные аналитико-статистические методы имитации технических систем с распределенной структурой // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 3. С. 521-528. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-3-521-528

23. Татарникова Т.М., Елизаров М.А. Имитационная модель виртуального канала // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 6. С. 1120-1127

24. Богатырев С.В., Богатырев В.А. Объединение резервированных серверов в кластеры высоконадежной компьютерной системы // Информационные технологии. 2009. № 6. С. 41-47.

25. Богатырев В.А. Комбинаторно-вероятностная оценка надежности и отказоустойчивости кластерных систем // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. № 6. С. 21-26

26. Богатырев В.А., Богатырев А.В., Голубев И.Ю., Богатырев С.В. Оптимизация распределения запросов между кластерами отказоустойчивой вычислительной системы // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 3(85). С. 77-82.

27. INET Framework for OMNeT++. Manual [Электронный ресурс]. 2016. URL: https://omnetpp.org/doc/inet/api-current/inet-manual-draft.pdf (дата обращения: 10.03.2018).

28. Хабаров С.П. Моделирование Ethernet сетей в среде OMNeT++ INET framework // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 3. С. 462-472. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-3-462-4

controlled broadcasting by unreliable servers. Automatic Control and Computer Sciences, 2009, vol. 43, no. 5, pp. 247-256. doi: 10.3103/S0146411609050046

13. Korobeynikov A.G., Fedosovsky M.E., Maltseva N.K., Baranova O.V., Zharinov I.O., Gurjanov A.V., Zharinov O.O. Use of information technologies in design and production activities of instrument-making plants. Indian Journal of Science and Technology, 2016, vol. 9, no. 44. doi: 10.17485/ijst/2016/v9i44/104708

14. Grishentsev A.Yu., Korobeinikov A.G., Dukel'skii K.V. Use of the method of numerical estimation for the technical interoperability. Cybernetics and Programming, 2017, no. 3, pp. 23-38. (in Russian) doi: 10.25136/2306-4196.2017.3.23540

15. Abramyan G.V. Structure and functions of the information system for monitoring and managing the risks of the development of small and medium-sized businesses in the North-West Federal District. Audit and Financial Analysis, 2017, no. 5-6, pp. 611-617. (in Russian)

16. Gatchin Y.A., Zharinov I.O., Korobeynikov A.G., Zharinov O.O. Theoretical estimation of Grassmann's transformation resolution in avionics color coding systems. Modern Applied Science, 2015, vol. 9, no. 5, pp. 197-210. doi: 10.5539/mas.v9n5p197

17. Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V. Redundant service clusters with the destruction of irrelevant queries. Herald of Computer and Information Technologies, 2017, no. 1, pp. 21-28. (in Russian) doi: 10.14489/vkit.2017.01.pp.021-028

18. Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V. Effectiveness of redundancy and packet fragmentation in transmission via aggregated channels. Journal of Instrument Engineering, 2017, vol. 60, no. 2, pp. 165-170. (in Russian) doi: 10.17586/0021-3454-2017-60-2-165-170

19. Bogatyrev V.A., Slastikhin I.A. Redundancy of transmissions over the aggregated channels divided into groups. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2016, vol. 16, no. 6, pp. 1137-1140.

doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-6-1137-1140

20. Bogatyrev V.A. Resiliency and preserve the functioning of mainline distributed computing systems. Informacionnye Tehnologii, 1999, no. 9, pp. 44-48. (in Russian)

21. Kutuzov O.I., Tatarnikova T.M. Modelling of Systems and Telecommunication Networks. St. Petersburg, RGGMU Publ., 2012, 134 p. (in Russian)

22. Kutuzov O.I., Tatarnikova T.M. Shortcut analytical-statistical modeling methods for technical systems with distributed structure. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2018, vol. 18, no. 3, pp. 521-528. (in Russian) doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-3-521-528

23. Tatarnikova T.M., Elizarov M.A. Virtual channel simulation model. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2016, vol. 16, no. 6, pp. 1120-1127. doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-6-1120-1127

24. Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V. Association reservation servers in clasters highly reliable computer system. Informatsionnye Tekhnologii, 2009, no. 6, pp. 41-47. (in Russian)

25. Bogatyrev V.A. The combinatorial stochastic method of reliability evaluation and fault tolerance for networks with cluster architecture. Instruments and Systems: Monitoring, Control, and Diagnostics, 2006, no. 6, pp. 21-26. (in Russian)

26. Bogatyrev V.A., Bogatyrev A.V., Golubev I.Yu., Bogatyrev S.V. Queries distribution optimization between clusters of fault-tolerant computing system. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2013, no. 3, pp. 77-82. (in Russian)

27. INET Framework for OMNeT++. Manual. 2016. URL: https://omnetpp.org/doc/inet/api-current/inet-manual-draft.pdf (accessed: 10.03.2018).

28. Khabarov S.P. Modeling of Ethernet networks in OMNeT ++ INET framework medium. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2018, vol. 18, no. 3, pp. 462-472. (in Russian) doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-3-462-472

Авторы

Носков Илья Игоревич - аспирант, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, ORCID ID: 0000-0002-5489-4092, [e-mail]

Богатырев Владимир Анатольевич - доктор технических наук, профессор, профессор, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация; профессор, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, Санкт-Петербург, 190000, Российская Федерация, Scopus ID: 7006571069, ORCID ID: 0000-0003-02130223, [e-mail]

Сластихин Иван Александрович - аспирант, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, ORCID ID: 0000-0002-0340-484X, [e-mail]

Authors

Iliya I. Noskov - postgraduate, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, ORCID ID: 0000-0002-5489-4092, [e-mail]

Vladimir A. Bogatyrev - D.Sc, Full Professor, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation; Professor, Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, Saint Petersburg, 190000, Russian Federation, Scopus ID: 7006571069, ORCID ID: 0000-0003-0213-0223, [e-mail]

Ivan A. Slastikhin - postgraduate, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, ORCID ID: 0000-0002-0340-484X, [e-mail]