Оценка качества аппаратно-программных средств в телекоммуникационных сетях, терпимых к задержке времени Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

он применяется в предположении, что при разбиении временного ряда на несколько частей объемы этих частей равны между собой, т е. n1 = n2 = ... nN = n. Расчетное значение критерия определяется по формуле

s 2

v _ Jmax

2 2 , s1 +... + sN

где s2 = max{s2} - максимальное значение

дисперсии s,, i = 1,..., N.

Критическое значение для теста Кохрейна, соответствующее заданному уровню значимости а и числам степеней свободы v1 = N, v2 = n - 1, определяется на основании табличного значения F-критерия следующим образом

F [1 - N, V1,v 2 J

к(p, Vi, V2) =---------------J—

(N -1) + F ^1 - N , Vl, V2

Если оказывается справедливым соотношение K < К(а, N, v1), то гипотеза о постоянстве дисперсии временного ряда принимается.

Прогнозирование на основании модели

В случае если выбранная модель признана адекватной, с ее помощью можно составлять прогнозы на некоторое количество периодов вперед. При поступлении с течением времени в распоряжение исследователя новых данных об уровнях временного ряда, уже сформированная модель ARIMA (p,d,q) может быть применена для составления нового прогноза с иным началом отсчета времени. Однако если характер поведения данных со временем меняется, то необходима переоценка параметров модели или, в некоторых случаях, поиск модели иной спецификации.

Библиографический список

1. Ханк, Д.Э. Бизнес-прогнозирование, 7-е изд.: Пер. с англ. / Д.Э. Ханк, Д.У Уичерн, А.Дж. Райтс. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. - 458 с.

2. Канторович, Г.Г. Анализ временных рядов / Г.Г. Канторович // Экономический журнал ВШЭ.

- №1. - 2002. - 110 с.

3. Ширяев, А.Н. Основы стохастической финансовой математики. Том 1. Факты. Модели / А.Н. Ширяев.

- М.: ФАЗИС, 1998. - 174 с.

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА АППАрАТНО-ПрОГрАММНЫХ

средств в телекоммуникационных сетях, терпимых к задержке времени

М.В. СКРИПНИК, асп. каф электроники и микропроцессорной техники МГУЛ, А.Е. КУРНИКОВ, соис. каф электроники и микропроцессорной техники МГУЛ

В настоящее время активное внедрение компьютерных сетей во многие области жизнедеятельности человека, в том числе в промышленность, экономику, образование, приводит к тому, что одной из основных проблем в этом направлении является пропускная способность каналов связи, служащих для передачи информации, их функционирование и надежность. Вопрос оценки качества работы сети складывается как из оценки качества аппаратной части комплекса передачи информации, так и оценки качества программных средств (ПС). Если для оценки качества аппаратных средств разработано достаточно

mantoshina@mgul.ac.ru; arseny07@mail.ru

большое количество гостов и стандартов, то вопрос оценки качества ПС является достаточно интересным и актуальным, так как они имеют свои критерии, по которым можно рассчитывать качество ПС, в том числе и ПС для компьютерных сетей. Одним из способов, определяющих качество программного обеспечения в образовательных сетях, является сертификация - процесс подтверждения свойств программного обеспечения, заявленных в соответствующей нормативной документации.

Организационное обеспечение стандартизации и оценки качества программных средств учебного назначения осуществляется

184

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

в том числе техническим комитетом на основании совместного приказа Минобразования и Госстандарта РФ от 08.03.04 №302-1188 «О создании технического комитета по стандартизации информационно-коммуникационных технологий в образовании». В работе данного комитета широко используются известные в международной практике стандарты качества программных средств. Одним из таких стандартов, определяющих качество готового продукта, является ГОСТ ISO 9126 «Информационная технология. Оценка программного продукта. Характеристики качества и руководство по их применению» [1]. Согласно данному стандарту характеристиками качества являются: функциональность (набор атрибутов, относящийся к сути набора функций), надежность (набор атрибутов, относящихся к способности программного обеспечения сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени, поскольку износа или старения программ в отличие от других видов продукции обычно не происходит), практичность (набор атрибутов, относящихся к объему работ, требуемых для использования или индивидуальной оценки такого использования определенным кругом пользователей), эффективность (набор атрибутов, относящихся к соотношению между уровнем качества функционирования и объемом используемых ресурсов продукции), сопровождаемость (набор атрибутов, относящихся к объему работ, требуемых для проведения изменений и модификации), мобильность (набор атрибутов, относящихся к способности программного средства быть перенесенным из одной среды в другую). Эти характеристики образуют основу для дальнейшего уточнения и описания качества.

Оценка качества программных средств является достаточно сложным и трудоемким процессом. Вывод критериев оценки качества даже по одному показателю, используемому в соответствующем стандарте, является достаточно сложной задачей.

Что касается качества работы телекоммуникационных сетей, то одним из ключевых показателей качества работы компьютерной

сети является надежность, а именно вероятность доставки сообщения до получателя. Однако существуют ситуации, в которых показатель вероятности того, что сообщение дойдет до принимающего устройства, может стремиться к нулю. Так, в случае нарушения или отсутствия соответствующей технической инфраструктуры сигнал просто не дойдет до ближайшего узла коммутации, как это может быть в случае природных или техногенных катастроф. Сети такого рода можно охарактеризовать как сети с задержками времени.

Для изменения ситуации в лучшую сторону предпринималось множество попыток разработать новые протоколы (правила передачи данных в сети), так как существующие традиционные протоколы с такой задачей не справляются. Передача данных может вообще не состояться и сообщение может не быть получено в силу особенностей существующих протоколов.

В настоящее время сценарий работы традиционных протоколов для работы сетей базируется на определенных предположениях. Так, одним из главных предположений, лежащих в основе стандартного протокола для компьютерных сетей TСP/IP, является то, что время задержки на всем протяжении пути пакета от источника к месту назначения невелико. Для установления соединения в протоколе TCP используется правило «3 - way handshke»: время установления соединения пропорционально значению времени задержки пакета в сети. Но если задержки времени являются достаточно большими, то, например, обычный браузер (средство просмотра страниц в Интернете), как правило, выдает сообщение об ошибке: «ошибка номер 403 - Ресурс не найден», - и информация не сможет быть получена пользователем.

Кроме того, следует заметить, что перед отправкой пакета в традиционных сетях необходимо осуществлять преобразование адреса из доменного имени в IP-адрес, а затем из IP-адреса в MAC-адрес. Такое преобразование предполагает наличие соответствующей инфраструктуры, а именно: определенных DNS-серверов, маршрутизаторов, шлюзов и

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

185

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

т.д. В случае, когда данная инфраструктура отсутствует, работоспособность сети будет нарушена практически на всех уровнях модели OSI, начиная с отсутствия связи на физическом уровне и заканчивая невозможностью работы приложений на верхнем уровне.

Трудности использования традиционных протоколов в сетях с задержкой времени касаются не только транспортного уровня и протокола TCP/IP, но и протоколов прикладного уровня. Так, в сетях с задержкой времени интерактивный обмен многочисленными сообщениями становится практически невозможным.

Для решения проблем TCP/IP протокола в сетях с большим временем задержки передачи сообщений разработан новый протокол сетевого уровня DTN (Disruption-Tolerant Networking), протокол передачи информации для сетей с задержками времени, предложенный Кевином Фолом [2]. DTN, изначально разработанный как протокол дальней космической связи, получает все большее применение и в обычных телекоммуникационных компьютерных сетях. В разработке протокола принимал участие Винт Серф (Vint Cerf), ныне вице-президент компании Google. Изначально DTN был задуман как «межпланетный интернет», а в данный момент представляет собой протокол для сетей с большим временем задержки сигнала [3]. Однако следует заметить, что традиционный протокол передачи данных прикладного уровня по семиуровневой модели OSI - HTTP не может решить возникающие в новых условиях проблемы, т.е. работать «поверх» DTN в DTN-сетях из-за своих особенностей, таких как многочисленные пары «запрос-ответ», необходимых для загрузки одной страницы. DTN существенным образом отличается от привычных протоколов (например TCP или UDP). Его особенностью является доставка данных вне зависимости от текущего состояния каналов связи. Для «классических» протоколов в случае невозможности доставки данных в «текущий» момент они удаляются. В DTN реализован иной принцип работы: «сохрани и передай» (Store and Forward) [4]. При получении данных для узла, в настоящий момент

находящегося вне зоны доступа, данные сохраняются. После нахождения маршрута до получателя (или самого получателя) данные передаются на следующий узел. Одновременно с разработкой подобных протоколов встает проблема оценки надежности и качества работы такой сети [5]. Очевидно, что модели надежности для сетей, работающих на традиционном TCP протоколе, в случае DTN сети не подходят. Итак, следует заметить, что если показатели надежности программной компоненты компьютерной сети можно рассчитать по существующей модели Х. Милса и З. Джелински, то с расчетом показателей надежности сетей, терпимых к задержкам времени, ситуация иная. Опишем подход к оценке надежности сетей.

В отличие от обычных сетей, в которых Тд < Тдоп, где Т - это время доставки сообщения, а Тдоп - это допустимое время, определяемое сервером, в DTN сетях, Тд может стремиться к бесконечности. При рассмотрении надежности компьютерных сетей и их диагностики следует учитывать как надежность самого программного обеспечения, так и надежность технической инфраструктуры и коммуникационных линий сети. Надежность сети характеризуется, прежде всего, ее устойчивостью к сбоям, минимизацией времени для восстановления после сбоя. Сбои в телекоммуникационной сети могут быть как аппаратными, так и программными.

Для сравнения моделей надежности традиционных и DTN сетей, необходимо оценить реализацию одних и тех же функций. Однако сравнение сетей, построенных на традиционных протоколах передачи данных, и DTN сетей является нетривиальной задачей, т.к. в первом случае сообщение может вовсе не дойти до получателя, следовательно, показатель надежности стремится к нулю. Предлагается модифицировать модель надежности для DTN сети. В DTN сети также необходимо анализировать ее производительность.

Рассмотрим модели традиционной сети и сети DTN. В данном случае уместно рассмотреть сеть на основе теории графов. Согласно этой теории описание модели надежности телекоммуникационных сетей мо-

186

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

жет выглядеть следующим образом. Если описывать модель в терминах дискретного времени и событий, то событием в данном случае выступают генерация сообщения и изменение структуры сети. В рассматриваемой системе получение результатов основывается на использовании принципов множественного доступа с временным разделением с учетом особенностей протоколов передаваемой информации.

Пусть m - число сообщений в сети. Обозначим i и j - номера начальных и конечных узлов прохождения сообщения, k - Pq -вероятность доставки сообщения q. tq - время генерации сообщения q.

К (t) =

Г0, если нет прямого пути из i в j

Vj (t) =

1, если есть прямой путь из i в j г0, если нет пути из i в j 1, если есть путь из i в j ’

., (1)

vj(t) = max(^ik ■'kkj, hij),

k&, j

P TCP = v (t),

q j q

= max(vij (tr ))

(2)

(3)

(4)

(5)

P DTN > P TCP (g)

qq

Таким образом, для расчета вероятности доставки сообщений в телекоммуникационных сетях необходимо составить матрицы смежности и совместности узлов данной сети. Далее выбирается оптимальный путь, в случае его существования. Выбирается максимум в определенный момент времени. Формулы (4) и (5) позволяют рассчитывать вероятность доставки сообщений в традиционных сетях и сетях DTN соответственно.

Проанализировав предложенную модель, можно сделать вывод о том, что в традиционных сетях при отсутствии пути из одного узла в другой вероятность доставки сообщения стремится к нулю в данный момент времени. В сети DTN ситуация иная. Если в момент генерации сообщения нет пути из начального узла в конечный, то вероятность доставки сообщения не равна нулю. Поскольку узел ожидает, когда появится путь, и хранит необходимую информацию, при появлении пути вероятность принимает максимальное значение из всех каналов. Например, если

узел работает один час в сутки, то в традиционной сети вероятность доставки сообщения будет равна 1/24, а в сети DTN она примет значение 1.

В статье обоснована актуальность разработки характеристик DTN сетей для построения модели надежности функционирования данных сетей. Приведено главное отличие работы DTN сетей от традиционных телекоммуникационных сетей. Предлагается подход к определению диагностики работы и контроля надежности сетей, терпимых к задержке времени передачи информации. Основным результатам является разработка математической модели надежности DTN сети с использованием сравнения показателя надежности в традиционных телекоммуникационных сетях. В дальнейшем представляется интересным создание программного комплекса для диагностики телекоммуникационных DTN сетей и расчета их надежности. Представленная выше модель позволяет, таким образом, проектировать сети, терпимые к задержке времени, повышая показатели их надежности.

Библиографический список

1. ИСО/МЭК 9126 Информационные технологии. Оценка продукции программного обеспечения. Международная организация стандартов. - Женева, 1991. - С. 1-6.

2. Lloyd Wood, Peter Holliday, Daniel Floreani and Wesley M. Eddy, Sharing the dream, Workshop on the Emergence of Delay-/Disruption-Tolerant Networks (E-DTN), part of the International Conference on Ultra Modern Telecommunication (ICUMT), St. Petersburg, Russia, 14 October 2009, pp. 1-2.

3. Will Ivancic, Wes Eddy, Lloyd Wood, James Northam and Chris Jackson, Experience with delay-tolerant networking from orbit, International Journal of Satellite Communications and Networking, special issue for best papers of ASMS 2008, vol. 28, issues 5-6, September-December 2010, pp. 335-351.

4. Special issue on DTN, Journal of Communications, Vol 5, No 2 (2010), February 2010, pp. 106-130.

5. Lloyd Wood, Peter Holliday, Daniel Floreani and Ioannis Psaras, Moving data in DTNs with HTTP and MIME, Workshop on the Emergence of Delay-/Disruption-Tolerant Networks (E-DTN), part of the International Conference on Ultra Modern Telecommunication (ICUMT), St. Petersburg, Russia, 14 October 2009, pp. 1-4.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

187