CC BY
90
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ «КОГНИТИВНОГО ИНТЕРНЕТА» В ЗАДАЧАХ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СИСТЕМ СТАЦИОНАРНОЙ И ПОДВИЖНОЙ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ
Бородин Андрей Викторович
канд. эконом. наук, профессор кафедры информатики и системного программирования Поволжского государственного технологического
университета, РФ, г. Йошкар-Ола E-mail: bor@mari-el. com Никитин Радик Юрьевич студент группы ПС-31 факультета информатики и вычислительной техники Поволжского государственного технологического университета, РФ,
г. Йошкар-Ола Померанцев Александр Олегович студент группы ПС-31 факультета информатики и вычислительной техники Поволжского государственного технологического университета, РФ,
г. Йошкар-Ола E-mail: sashap1994@mail. ru Ширяев Андрей Игоревич студент группы ПС-31 факультета информатики и вычислительной техники Поволжского государственного технологического университета, РФ,
г. Йошкар-Ола E-mail: anwebber@gmail. com
USE OF THE CONCEPT "COGNITIVE INTERNET" IN TASKS OF RELIABILITY AUGMENTATION AND PRODUCTIVITY OF SYSTEMS OF FIXED AND MOBILE DIGITAL COMMUNICATION
Andrey Borodin
candidate of Science, professor of Informatics and System Programming department
of Volga State University of Technology, Russia, Yoshkar-Ola
Radik Nikitin
student of PS-31 Group of Faculty of Informatics and ADP Equipment of Volga State
University of Technology, Russia, Yoshkar-Ola
Alexander Pomerantsev
student of PS-31 Group of Faculty of Informatics and ADP Equipment of Volga State
University of Technology, Russia, Yoshkar-Ola
Andrey Shiryaev
student of PS-31 Group of Faculty of Informatics and ADP Equipment of Volga State
University of Technology, Russia, Yoshkar-Ola
АННОТАЦИЯ
Работа посвящена разработке принципов обеспечения роста надежности и производительности систем, обеспечивающих доступ клиентских приложений к сети Internet. Работа основана на идеях, заимствованных из концепций
когнитивного радио и, отчасти, когнитивного интернета вещей. В результате исследования была разработана архитектура системы доступа к сети Internet и создан лабораторный стенд. Полевые испытания с использованием стенда показали эффективность предложенной концепции и целесообразность дальнейших исследований.
ABSTRACT
The paper deals with devoted to development of the principles of support of growth of reliability and productivity of the systems providing access of client applications to the Internet network. Paper is based on the ideas borrowed from concepts of cognitive radio system and partly the cognitive Internet of things. As a result of research the system architecture of a network access of Internet was developed and the laboratory bench is created. Experiments with use of the bench showed efficiency of the offered concept and feasibility of further researches.
Ключевые слова: программно-определяемая радиосистема; система когнитивного радио; когнитивный интернет; когнитивный интернет вещей; 3G; 4G; Wi-Fi; метод главных компонент.
Keywords: software-defined radio; SDR; cognitive radio system; CSR; cognitive internet; cognitive internet of things; CIoT; 3G; 4G; Wi-Fi; principal component analysis; PCA.
Введение
В последние годы весьма четко была сформулирована концепция когнитивного радио. В частности в отчете МСЭ-Р SM.2152 "Definitions of Software Defined Radio (SDR) and Cognitive Radio System (CRS)" [10] было дано следующее определение. Система когнитивного радио (CRS) — это радиосистема, использующая технологию, позволяющую этой системе получать знания о своей среде эксплуатации и географической среде, об установившихся правилах и о своем внутреннем состоянии, а также позволяющая динамически и
автономно корректировать свои эксплуатационные параметры и протоколы, согласно полученным знаниям, для достижения заранее поставленных целей.
Эту идею очевидным образом можно развить в направлении повышения качества механизмов доступа к сети Internet. Действительно, сегодня у пользователя сети Internet огромное количество возможностей доступа. Это постоянные подключения (xDSL и Ethernet до клиента), мобильные технологии четвертого поколения 4G (LTE-A и WiMAX 2) [9], третьего — 3G (UMTS и CDMA2000) [8], второго — 2G (CSD, GPRS и EDGE) [7], хот-споты Wi-Fi [11], функционирующие на базе семейства стандартов IEEE 802.11, и т. п. В разных ситуациях разные технологии обеспечивают лучший доступ к сети Internet в том или ином смысле. Если организовать постоянный мониторинг присутствия подключений к сети Internet, а также обеспечить накопление информации о закономерностях поведения этих подключений и приложений, их использующих, то опираясь на совокупность этих знаний наряду с одновременной утилизацией всех возможных подключений можно достичь заметного прироста производительности Internet-приложений. Особенно эта идея актуальна для систем подвижной цифровой связи. По аналогии с когнитивным радио описанную идею можно назвать концепцией «когнитивного интернета».
Термин «когнитивный интернет» в таком понимании в отечественной литературе оказывается новым, а идеи, лежащие в его основе, проявляются лишь в зачаточной стадии — в виде практики создания резервного подключения к сети Internet в крупных компаниях для повышения уровня доступности Internet-ресурсов. Справедливости ради следует отметить использование в последнее время в отечественной прессе сходного термина «когнитивный интернет вещей» [4], который сформировался вокруг идеи самоорганизации интеллектуальных гаджетов, взаимодействующих между собой по сетям передачи данных, с целью достижения какой-либо цели. Базовые концепции самого интернета вещей изложены в более ранних работах того же коллектива авторов [5; 6]. Вопросам повышения производительности сети, объединяющей
интеллектуальные гаджеты, посвящена работа группы китайских исследователей [12], в которой названная проблема рассмотрена с позиций теории игр в предположении адаптивного поведения устройств. В этой работе на основе математических моделей показана продуктивность концепции «когнитивного интернета вещей».
Все выше изложенное позволяет утверждать, что, во-первых, развитие концепции «когнитивного интернета» является перспективным направлением исследований, во-вторых, эта концепция не исчерпывается темой интернета вещей, а затрагивает всю отрасль телекоммуникаций, и, наконец, не следует сбрасывать со счетов синергетический эффект совместной реализации концепций когнитивного интернета вещей и когнитивного интернета в понимании данной работы.
Манифест когнитивного интернета
Перечислим основные принципы, закладываемые в развиваемую в данной работе концепцию когнитивного интернета.
1. Неоднородность периметра. Этот принцип означает возможность использования для подключения к сети Internet любых доступных технологий.
2. Векторный характер периметра. Этот принцип означает, что в каждый момент времени активны все доступные подключения к сети Internet, вне зависимости от их использования пользовательскими приложениями. Для подключений, не используемых в данный момент времени пользовательскими приложениями, как минимум происходит сбор статистики служебными приложениями.
3. Геопозиционирование периметра. Обеспечивается постоянное указание местоположения антенного оборудования периметра на Земле.
4. Сканирование сред передачи данных за периметром. Этот принцип подразумевает реализацию непрерывного сканирования сред передачи данных для всех доступных технологий. При этом, по крайней мере для некоторых технологий, сканирование осуществляется с учетом местоположения антенного оборудования периметра на Земле. Если подключение для какой-либо не
используемой в данный момент времени среды становится возможным, то такое подключение осуществляется и помещается в пул активных подключений.
5. Коллекционирование аккаунтов. Система поддержки технологии когнитивного интернета в ручном, полуавтоматическом и полностью автоматическом режимах обеспечивает сбор учетных записей для доступа к сети Internet, как платных, так и бесплатных, в том числе, где это необходимо, с учетом местоположения антенного оборудования периметра на Земле.
6. Активное целеполагание. Этот принцип означает, что каждое пользовательское приложение может сформулировать для системы поддержки технологии когнитивного интернета цель: какие параметры канала передачи данных наиболее важны для данного приложения. Стоимость трафика также может выступать в качестве целевой функцией канала.
7. Лексикографическое упорядочивание целей. Важность различных параметров канала передачи данных для разных пользовательских приложений различна. Система поддержки технологии когнитивного интернета должна обеспечивать возможность выбора точки подключения на основе различных лексикографических порядков на множестве активных точек подключения (в зависимости от важности параметров канала для запрашивающего приложения).
8. Адаптивная маршрутизация. Доступ того или иного клиента к тому или иному подключению обеспечивается за счет перестройки таблиц маршрутизации (по требованию) в соответствии с параметрами оптимального доступа к Internet-ресурсам для приложений каждого из клиентов. Таблица маршрутизации может перестраиваться как на рабочей станции клиента, так и на маршрутизаторе доступа, в зависимости от архитектуры системы и ее сложности.
9. Масштабируемость периметра. Появление новых технологий подключения, увеличение количества доступных каналов передачи данных в рамках некоторой технологии не должно приводить к изменениям архитектуры системы поддержки технологии когнитивного интернета, расширение системы должно происходить посредством простого (линейного) подключения дополнительных устройств.
10. Клиентская масштабируемость. Система поддержки технологии когнитивного интернета должна обеспечивать возможность простого (линейного) подключения новых клиентов Шете^сервисов. При этом клиент получает возможность использовать то подключение, которое максимально соответствует его потребностям, определяемым либо явно, по запросу, либо в ходе мониторинга его сетевой активности.
Описание лабораторного стенда
Для исследования практической применимости концепции когнитивного интернета был построен лабораторный стенд, структурная схема которого приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема лабораторного стенда
В состав лабораторного стенда вошли:
• два интегрированных сервисных маршрутизатора Cisco 881G, включающих в себя интегрированный SG-модем, поддерживающий технологии
вплоть до 3.7G HSPA+, и Wi-Fi-подсистему, поддерживающую стандарты 802.11 a/b/g/n;
• два интегрированных сервисных маршрутизатора Cisco 871W, со встроенным Wi-Fi-интерфейсом стандарта 802.11 b/g;
• два компактных неттопа MSI WindBox II Plus с пассивным охлаждением, построенных на базе процессоров Intel Atom D2550 и содержащих по два интегрированных сетевых интерфейса Gigabit Ethernet и по одному встроенному Wi-Fi-адаптеру, поддерживающему стандарт 802.11 b/g;
• два GPS-приемника GlobalSat BU-353s4 с интерфейсом USB, поддерживающих протокол NMEA, построенных на новейших чипах SiRF Star IV и обеспечивающих быстрое позиционирование коммерческой точности при неидеальных условиях видимости спутников;
• два неуправляемых коммутатора NETGEAR JGS524Ev2, содержащих по 24 порта Gigabit Ethernet;
• автомобиль ГАЗ 322133-1344-56-484-66, оборудованный инвертором 12В/220В марки Mean Well A301-1K0-F3 мощностью 1000 Вт (для мобильных экспериментов).
На базе маршрутизаторов Cisco 881G строятся две точки подключения к сетям 3G и две точки подключения к Wi-Fi-сетям 802.11 a/b/g/n, еще две точки подключения к Wi-Fi-сетям обеспечивают маршрутизаторы Cisco 871W, они поддерживают лишь стандарт 802.11 b/g. Данные об устройствах, их IP-адресах и поддерживаемых ими стандартах содержатся в конфигурационном файле системы поддержки концепции когнитивного интернета. Wi-Fi-интерфейсы неттопов используются лишь для сканирования соответствующих сред. При обнаружении Wi-Fi-сети возможны несколько сценариев. Во-первых, если сеть открытая, то производится попытка подключится к ней, в случае успеха, информация о сети, включая геоданные, вносится в реестр. Во-вторых, если сеть защищенная, то производится поиск учетных данных для этой сети с данной геопозицией в реестре. Если учетные данные не найдены, то в зависимости от режима (автоматический режим, обучение) происходит, либо игнорирование
сети, либо диалог с пользователем на предмет добавления сети. И, наконец, в -третьих, если Wi-Fi-сеть функционирует в режиме без анонса SSID, то производятся попытки подключения с теми учетными данными из реестра, которые соответствуют режиму скрытого SSID с геоданными, соответствующими месту дислокации периметра. При отсутствии успешных попыток подключения к какой-либо из скрытых сетей в режиме обучения инициируется соответствующий диалог с пользователем. Конфигурирование интерфейсов маршрутизаторов осуществляется с использованием протокола SNTP.
Неттоп MSI WindBox II Plus является основой «интеллекта» системы поддержки концепции когнитивного интернета. В рамках описываемого лабораторного стенда на неттопе используется операционная система (ОС) Windows 7 Professional x86. Под этой ОС функционирует несколько специализированных служб: служба синхронизации, служба сканирования сред, служба подключений 2G/3G/4G, служба Wi-Fi-подключений, служба сбора статистики, служба управления таблицами маршрутизации.
Служба синхронизации обеспечивает репликацию таблиц доступных сред и активных подключений между управляющими компьютерами, а также планирует распределение работ между этими компьютерами по сбору статистики по каждому активному подключению. Кроме того, данная служба фактически координирует работу основных служб, обеспечивая, таким образом, возможность масштабирования системы по управлению. Соответственно, еще одной важной функцией службы синхронизации является контроль работоспособности соседних управляющих компьютеров.
Служба сканирования сред ориентирована исключительно на работу с Wi-Fi. Эта служба для выявления доступных сетей использует два механизма: данные, получаемые по протоколу SNTP от маршрутизатора, в случае, если его Wi-Fi-модуль поддерживает обнаружение сетей, и инструментарий управления Windows WMI.
Назначение служб подключений 2G/3G/4G и Wi-Fi тривиально и соответствует названию. Однако, у службы Wi-Fi-подключений имеется одна особенность: выборка учетных данных для подключения из реестра осуществляется с учетом геоданных места. Геопозиционирование осуществляется на основе данных, поступающих по протоколу NMEA из одного или нескольких GPS-приемников, присутствующих в системе. Одновременно с этим, данные, поступающие от GPS-приемников, используются для первичной синхронизации времени в системе [2].
Служба сбора статистики осуществляет непрерывный сбор данных о функционировании активных подключений. Статистика включает в себя поминутный, почасовой и посессионный трафик, пиковую пропускную способность, среднюю задержку, стандартное отклонение задержки за 1, 5, 10 и 15 минут. Для оценки объема трафика и пиковой пропускной способности используется протокол NetFlow, а для остальных параметров - технология утилиты ping. Сбор статистики по используемым активным точкам подключения осуществляется при условии не превышения полезным трафиком порога в 10% от пропускной способности, измеренной сразу после подключения. Вся статистика маркируется метками времени и геоданными.
Служба управления таблицами маршрутизации является распределенной. На каждой клиентской рабочей станции функционирует агент. При старте ОС рабочей станции агент регистрируется на серверной части. В случае явного запроса политики для некоторого Internet-ресурса агент передает запрос серверу на реализацию этой политики. При изменении состояния системы в определенных случаях агент получает адреса шлюзов для доступа к различным Internet-ресурсам и на основе этой информации перестраивает таблицу маршрутизации рабочей станции. В настоящее время агент разработан только для ОС Windows 2k+.
Критерии выбора точки подключения
В качестве политик доступа к сети Internet на первом этапе исследований были предложены следующие: «WEB-серфинг», «Длительная загрузка», «Быстрая загрузка», «Клиент-сервер», «Skype», «VPN».
Для каждой политики был определен порядок важности критериев, используемый для лексикографического упорядочивания активных подключений:
1. WEB-серфинг: «Задержка» -> min, «Скорость загрузки по протоколу http» -> max;
2. Длительная загрузка: «Длительность физической сессии» -> max, «Скорость загрузки по протоколу ftp» -> max;
3. Быстрая загрузка: «Скорость загрузки по протоколу ftp» -> max;
4. Клиент-сервер: «Стандартное отклонение задержки» -> min;
5. Skype: «Задержка» -> min, «Стандартное отклонение задержки» -> min;
6. VPN: «Задержка на пакетах длиной 1400 байт» -> min, «Стандартное отклонение задержки» -> min.
Первые результаты полевых испытаний
Первые эксперименты с предлагаемой концепцией были проведены в г. Йошкар-Оле с четырьмя коммерческими сетями: двумя 3 G (сети с торговыми марками Билайн и Мегафон) и двумя Wi-Fi (сети ДОМ.ш и Ростелеком), любые бесплатные Wi-Fi-сети были разрешены. Открывались WEB-страницы из заранее определенного множества. При этом хеширование страниц было выключено. Страницы открывались через систему когнитивного интернета и напрямую, используя фиксированные подключения каждого из четырех операторов.
Для представления результатов введем ряд обозначений. Пусть t0i — время открытия страницы при i-м испытании в системе когнитивного интернета; t1i — время открытия страницы при i-м испытании при подключении к сети Билайн; t2i — время открытия страницы при i-м испытании при подключении к сети Мегафон; t3i — время открытия страницы при i-м испытании при подключении
к сети ДОМ.ш; t4i — время открытия страницы при i-м испытании при подключении к сети Ростелеком.
Рассмотрим точки (в геометрическом смысле) в 4-хмерном пространстве (t1i - t0i, t2i - t0i, t3i - t0i, t4i - t0i). Для визуализации распределения точек в этом пространстве используем метод главных компонент [1]. Спроецируем точки на плоскость образованную первыми двумя главными компонентами. Результаты испытаний при перемещении по центру г. Йошкар-Олы представлены на рисунке 2.
Рисунок 2. Различия в скорости загрузки WEB-страниц для базовой технологии и четырех альтернативных на плоскости, образованной двумя главными компонентами. Первая главная компонента соответствует оси
абсцисс
На рисунке светлым тоном выделены направления на бесконечно удаленные точки, возникшие в связи с отсутствием какого-либо фиксированного
подключения. В данном случае иногда отсутствовали Wi-Fi-сети базовых операторов. Эти точки были исключены из рассмотрения. Метод главных компонент был применен к оставшимся точкам (представлены темным цветом). Первая главная компонента определяется ортом (0.573, 0.618, 0.459, 0.282). Это означает, что чем больше координата точки на рисунке по оси абсцисс, тем выше преимущество технологии когнитивного интернета.
Результат очевиден. Рисунок 2 наглядно демонстрирует превосходство в среднем предлагаемой технологии по отношению к традиционным при загрузке WEB-страниц. В то же время, необходимо понимать, что платим мы за это преимущество использованием гораздо больших чем обычно ресурсов разного рода. С другой стороны понятно, что для некоторых приложений это вполне допустимо и обосновано.
Заключение
Первые положительные результаты использования концепции когнитивного интернета, по крайней мере, для подвижных систем цифровой связи, позволяют сделать вывод о целесообразности продолжения исследований и, возможно, переноса стенда на какую-либо малогабаритную промышленную платформу для приближения разработки к тиражируемому варианту.
Также можно сформулировать следующие задачи для дальнейших исследований:
1. проведение нагрузочных испытаний системы;
2. построение стохастической модели случайной величины Совокупной стоимости владения (Total cost of ownership, TCO) системой когнитивного интернета;
3. исследование зависимости TCO от тарифных планов по всем использованным подключениям при фиксированном маршруте системы подвижной связи;
4. совершенствование системы критериев и алгоритмов принятия решений по выбору точек подключения;
5. исследование эффективности использования концепции когнитивного
интернета для систем синхронизации времени при существенной зависимости
TCO от точности синхронизации по методике, предложенной в работе [3].
Список литературы:
1. Айвазян С.А. Прикладная статистика: Классификация и снижение размерности [Текст] / С.А. Айвазян, В.М. Бухштабер, И.С. Енюков, Л.Д. Мешалкин. М.: Финансы и статистика, 1989. — 607 с.
2. Бородин А.В. О задаче синхронизации времени на основе GPS-приемников коммерческой точности с использованием протокола NMEA [Текст] / А.В. Бородин // Обозрение прикладной и промышленной математики. — 2008. — Т. 15. — В. 6. — С. 1046—1047.
3. Бородин А.В. Об импортозамещении при создании систем дистрибуции точного времени в мультисервисных сетях передачи данных [Текст] / А.В. Бородин // Кибернетика и программирование. — 2015. — № 2. — С. 78—97. — DOI: 10.7256/2306-4196.2015.2.14036. — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://e-notabene.ru/kp/article_14036.html
4. Гребешков А.Ю. Когнитивный интернет вещей. Вещи все лучше адаптируются к людям [Текст] / А.Ю. Гребешков, А.В. Росляков, М.Ю. Самсонов // ИнформКурьер-Связь. — 2014. — № 11. — С. 65—67. — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.iksmedia .ru/ articles/5144194-Kognitivnyj -internet-veshhej -Veshhi .html
5. Самсонов М.Ю. Интернет вещей в умном городе [Текст] / М.Ю. Самсонов, А.Ю. Гребешков, А.В. Росляков, С.В. Ваняшин // ИнформКурьер-Связь. — 2013. — № 10. — С. 58—61. — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.iksmedia.ru/articles/4990900-Internet-veshhej-v-umnom-gorode.html
6. Самсонов М.Ю. От интернета людей — к интернету вещей [Текст] / М.Ю. Самсонов, А.В. Росляков, С.В. Ваняшин // ИнформКурьер-Связь. — 2013. — № 5. — С. 62—64. — [Электронный ресурс] — Режим доступа. —
ociFreezer
created by free version of
URL: http://www.iksmedia.ru/articles/4926341-Ot-interneta-lyudej-k-internetu-ves.html
7. 2G // Википедия. Свободная энциклопедия. — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/2G. Дата обращения: 23.04.2015.
8. 3G // Википедия. Свободная энциклопедия. — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/3G. Дата обращения: 23.04.2015.
9. 4G // Википедия. Свободная энциклопедия. — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/4G. Дата обращения: 23.04.2015.
10. Definitions of Software Defined Radio (SDR) and Cognitive Radio System (CRS) [Электронный ресурс] // ITU (International Telecommunication Union). — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http:// www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/ rep/R-REP-SM.2152-2009-PDF-R.pdf. Дата обращения: 23.04.2015.
11. Wi-Fi // Википедия. Свободная энциклопедия. — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi. Дата обращения: 23.04.2015.
12. Zhang M. Cognitive Internet of Things: Concepts and Application Example [Текст] / M. Zhang, H. Zhao, R. Zheng, Q. Wu, W. Wei // International Journal of Computer Science Issues. — 2012. — Vol. 9, — Issue 6, — № 3. — P. 151— 158.
