Структурные и динамические свойства многоуровневого иерархического управления процессами обработки и передачи пакетных данных в мультисервисных спутниковых сетях Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Структурные и динамические свойства многоуровневого иерархического управления процессами обработки и передачи пакетных данных в мультисервисных спутниковых сетях

Актуальность исследования обусловлена необходимостью создания высокопроизводительной управляемой спутниковой У5АТ-платформы в интересах государственных и коммерческих заказчиков. Функциональную основу спутниковых УЗДТ-сегей формирует аппаратно-программный комплекс системы сетевого управления (ССУ). Предложен подход к моделированию иерархической структуры процессов поступления, обработки и передачи пакетных данных по уровням стека протоколов мультисервисных спутниковых сетей (МСС) в виде многомерного марковского процесса принятия решения. Представлена запись многоуровневого функционала Беллмана для целевых показателей качества функционирования МСС, агрегирующая собственные модели и стратегии принятия решений протоколов в динамике контролируемых данных по стеку и учитывающая межуровневые взаимодействия. Исследованы структурные и динамические свойства управления процессами обработки и передачи пакетных данных по уровням стека протоколов мультисервисных спутниковых сетей. Результаты исследований обосновывают возможность целевой координации собственных решений на основе межуровневого взаимодействия протоколов и позволяют системам сетевого управления достичь более эффективного использования радиоресурсов.

Ключевые слова: сети спутниковой связи, радиоресурс, иерархическая система управления, межуровневые взаимодействия, марковские процессы принятия решений, динамическое программирование.

Илюхин АА, Доцент кафедры Академии ФСО России, к.т.н., доцент, [email protected]

Щербаков М.В., Курсант Академии ФСО России

Введение

Современный рынок спутникового оборудования представлен многообразием аппаратно-программных VSA Г-платформ UHP (Eastar), InterSkv (Shiron), DirecWay (Hughes Network System), SkyEcJge, SkyStar (Gilat), Linkway, Linkstar ( ViaSat), iDirect (iDirect Technologies), Free-clomlP (EADS Astrium), соответствующих или подобных спецификации международных, внутрифирменных стандартов DVB-RCS, IPuS, DVB-S(S2), DOCSIS и обеспечивающих управление пакетным трафиком с целью поддержки требуемого качества услуг QoS (Quality of Service) [ 1J.

Однако реализуемый стек протоколов мультисервисных спутниковых VSAT-сетей не в состоянии достичь потенциальной частотно-энергетической эффективности в виду ограничений, обусловленных защитными частотными полосами спутниковых каналов, избыточностью инкапсуляции пакетных данных протоколами сетевого и канального уровня, а также низкой эффективностью схем резервирования и распределения пропускной способности между потоками различных классов сервиса, частотно-временного планирования интерактивной передачи абонентских с танций в спутниковом канале.

Причины заключаются в упрощении математических моделей и алгоритмов управления, реализованных в системах сетевого управления (NMS — Network Management System), вследствие нестационарных свойств трафика, условий распространения радиосигнала в спутниковом канале, а также высокой степени инерционности контуров управления процессами обработки и передачи пакетных данных по стеку протоколов. В ряде VSAT-технологий отсутствие функций динамического контроля показателей QoS по каждому установленному соедине-

нию компенсируется превентивной частотноэнергетической избыточностью выделяемых сетевых ресурсов по функциям распределения значений дестабилизирующих факторов, оцениваемым априори для стационарного случая.

Система сетевого управления современных МСС обладает всеми существенными свойствами многоуровневой иерархической динамической системы [2], целью функционирования которой заключается в согласовании скорости источников трафика, производительности протоколов и обеспечении условий оптимального распределения ограниченной пропускной способности в рамках выделенного спутниковой сети частотно-энергетического ресурса транспондера.

В этой связи актуальным представляется исследование структурных: и динамических свойств иерархического управления процессами обработки и передачи пакетных данных, координирующего уровневые решения стека протоколов для повышения качества функционирования мультисервисных спутниковых сетей.

Структурные и динамические свойства

многоуровневого иерархического управления

В общем случае топологическая структура сетевого управления соответствует топологии сети информационного обмена МСС и описывается направленным графом £?(/,./), где 1 - множество вершин, 7с/х(/-1) -множество ребер (полносвязная топология), J с 2(1 — 1) (топология "звезда"), ,/ с / (топология выделенного направления "точка-точка"). Вершины графа соответствуют узлам спутниковой сети (центральной и абонентским станциям), связанными сетью доступа с терминальным оборудованием пользователей. Каждое ребро графа у е J, У & / моделирует спутниковый канал связи в //-ом

направлении с пропускной способностью ■ Лю-

бая пара узлов МСС может обмениваться потоками пакетных данных, относящихся к одному из классов сервиса /77 е М .

У

Текущая сетевая нагрузка в общем случае

может характеризоваться байтовой скоростью (скоростью передачи пакетов) между узлами сети в виде мат, тс.М, у е J■ Для каждой пары

риц ут —

Менеджер ССІС80П) > правления (сервер N4X110

те М

й сетевой узел МСС

I

,.1=И

Агент сетевого управления (СПО СТ)

ТСР-урошш

-(&■»)

V,

_0^>,_________________________________________

спо су к- спо су Н— спо СУ КЯ

1Р-у ровна

ч.

лік:

ТСР-уровия

?з

МАС-уровня

.(У»

*3

лі к; 1Р-уровш

хм

'2

42

аік:

МАС-у ровня

СПО СУ

РІП'-у ровня

_до

Г !і!

АІІС РІІУ-.у ровня

Внешние состояния Ь^т\к + 1) более высокого уровня определяют ожидаемый объем блоков данных а^'т\к +1). поступающих для обработки аппаратнопрограммным средствам (АПС) нижнего уровня

узлов сети у є./ установлены однореберные маршруты.

Каждый из узлов МСС (рис. 1) в соответствии с заданным циклом кТс> к = \,К осуществляет мониторинг

состояния и конфигурирует профиль параметров на различных уровнях обработки потоков пакетных данных (формат фрейма канального уровня, тип модуляции и помехоустойчивого кодирования, уровень передачи модулятора, объем пропускной способности для потоков данных, объем частотно-временных слотов для передачи абонентских станций и т.д.).

Введем обозначение уровней (этапов) обработки стека протоколов Іє{ где / = 1 соответствует уров-

ню передачи радиосигнала в спутниковом канале, Ь — уровню, доступному для контроля потока пакетных данных пользовательских приложений в сетевом оборудовании МСС. Динамику изменения состояния процесса обработки и передачи пакетных блоков данных каждого /-го уровня определим рекуррентными уравнениями для внешних переменных, устанавливающих объем передаваемых блоков данных (БД) для обработки нижнему уровню

+1) = шіп [ч\и'т\к) + а\Ч'т\к +1 ),«*<'>>>(*)) -

(1)

и внутренних переменных, устанавливающих объем потерянных блоков данных, вследствие переполнения буфера или превентивного отбрасывания (сетевой уровень)

+1) = [ц(1>'т\к),а(Ч'тХк +1 )$'т\к +1 ),иМ’т\к)}

(2)

и буферизованных блоков данных #'% + !> =

=птЦ^\к)+«<*»(*+1 )-Ь^'т\к+1) - $>'т\к+1)4^)

(3)

<Р*\к + 1) = чЬ%*\к + 1).

(4)

Г™

:!

Рис. 1. Многоуровневая иерархическая структура управления процессами обработки и передачи пакетного трафика по стеку протоколов сетевого узла: СПО - специализированное программное обеспечение; СУ — система управления; АПС — аппаратно-программные средства

где г)/ - параметр, характеризующий соотношение объемов БД смежных уровней вследствие статистической избыточности инкапсуляции данных (/ + 1)-го уровня в "контейнер" данных /-го уровня.

Выделим в иерархической структуре процессов множество доступных каждому /-му уровню внешних и

внутренних управлений. Внешнее управление

определяет в общем случае вероятностную динамику переходов для внешних состояний процесса

р(Ь\ I и представляет собой допустимую про-

изводительность (пропускную способность) соответствующего уровня для обеспечения требуемого качества обслуживания трафика поддерживаемых приложений. Производительность обработки БД /-ым уровнем ограничивается динамикой состояний уровневых дестабилизирующих факторов р(Ц / А,/), например, контролируемого времени обращения ГСР-сегментов (транспортный уровень), объема передач БД трафика более высокого приоритета для дисциплин приоритетного обслуживания буферов (сетевой и канальный уровень), соотношения сигнал/шум в спутниковом канале (физический уровень) и т.д.

Внутреннее управление ис* е и? > устанавливающее вероятностную динамику переходов для внутренних состояний процесса обработки БД р(^'/ / с]/,а'/,Ь'/+],и^),

реализует способы предотвращения перегрузки на основе превентивного отбрасывания БД, детализируемые функционалом (2). Множество управлений уровня обозначим

(и*,м? | е 1/г тогда множество {/ = ГТ{У/ Ус™31*-

/= I

ливает все ресурсные ограничения для достижения максимально высокой производительности стека протоколов и поддержание заданного качества обслуживания трафика.

Для иерархической структуры процессов поступления, обработки и передачи БД вероятностная динамика

переходов внешних р^ь} /ql,a^,\^,Ь^+],u?'j и внутренних р[<111 ЯЬаьХьЦ+Ьи1 >и<1) состояний Уровней

стека протоколов являются условно зависимой по ожидаемым состояниям и принимаемым решениям более верхних уровней.

Обобщая описание процессов поступления, обработки и передачи пакетных блоков данных с учетом их собственной динамики переходов состояний ду ={йу,<?/,*//}>

стратегий управления щ — ,и^ | на каждом уровне

стека протоколов, представим их в рамках иерархической

как

модели многоуровневого рекуррентного процеееа принятия решения (рие. 2)

p(s'i Ishs'i+l,ui), l = l,...,L, р :S/ х Uj x 5/ I-» [0,1] ,

(5)

где s'i — ожидаемые состояния процессов обработки и передачи БД на /-ом уровне.

P(sl+\ / 5/+1 >S'l+2^>L ’и1+1) P(s'l / ,s't+l^L, U,)

st

У s 'l

VijeJ

m

v/€/'

j

IC »(s0-

(7)

(8)

(9)

гле А/-^(к), Е1ЯР^(к) - совокупная полоса частот и

эквивалентно-изотропная излучаемая мощность на выходе транспондера, создаваемая радиосигналами активных узлов МСС.

С каждым из переходов связаны условные по состояниям и управлениям одношаговые доходы, оцениваемые показателями частотно-энергетической эффективности г (я' / я,и) и качества дифференцированного сервиса

-PV/ s,u)

Рис. 2. Диаграмма условных переходов по состояниям процессов

Агрегирование одношаговых переходных вероятностей по глобальному состоянию } и принимаемым решениям и = всех уровней позво-

лит представить динамику многоуровневой структуры процессов обработки и передачи БД по стеку протоколов

р(х'/*,ы) = прЦ I *м/-И’м/)’ }е 5’ Ум еи'

1=1

Вероятностная динамика переходов состояний процесса для потоков пакетных данных т классов сервиса

р(У’т\з'/5,и)’ мультиплексируемых для передачи в

у-ом направлении, определяется с учетом ресурсных ограничений на производительность этапов обработки на транспортном, сетевом, канальном и физическом уровнях

по средней задержке, джиттеру задержки и потерям БД Y = {TD,DV,PL}, определяемые аналитически либо в ходе сетевого мониторинга за состояниями процессов обработки и передачи блоков данных по уровням стека протоколов.

Задача управления в этом случае относится к классу задач [3], решаемых методами динамического программирования, и заключается в поиске оптимальных решений, максимизирующих усредненную сумму ожидаемой частотно-энергетической эффективности

■ ■ 1 (

Ку(л',и) = тах—Z £lp(s' / s,u)ry(s' / s,u)+2^p(s' / s,u)V.f(s ,и)

k к \s' s' ,

(10)

при ограничениях на усредненные суммы ожидаемых значений показателей QoS

1

(

Vy (s,u) = jz Z P(s'1 s,u)r^,m\s' I s,u) +

k к \ s'

(11)

где иу'~ количество БД (байтового объема или фреймов канального уровня), выделенных /-ым узлом МСС для передачи в у'-ом направлении; — количество

тайм-слотов физической структуры спутникового канала на Аг-ом цикле, выделенных для передачи г-ому узлу МСС во всех направлениях.

При этом ресурсные офаничения на производительность уровней стека протоколов для потоков всех сетевых соединений должны быть связаны 01раничениями

А/* на выделенный МСС частотно-энергетический ресурс спутникового транспондера, рассчитываемый по эквивалентной частотной полосе

В существующих системах сетевого управления МСС решения на всех уровнях стека протоколов при распределении частотно-энергетического ресурса между сетевыми узлами принимаются централизованно. Высокая вычислительная сложность решения задач большой размерности приводит к необходимости упрощения оптимизационных процедур, в тоже время сохраняющих иерархическую структуру управления и использующих ме-журовневые взаимодействия стека протоколов.

Применительно к иерархической структуре процессов принятия решений (10, 11) воспользуемся принципом декомпозиции [4], заключающимся в разбиении основной задачи динамического программирования на подзадачи значительно меньшей размерности, которые могут быть автономно решены уровневыми агентами NMS. Данные локальные подзадачи оптимизации образуют первый уровень иерархической структуры управления, созданный для вычислительных целей и решаются при произвольных межуровневых взаимодействиях. Определение силы межуровневых взаимодействий для глобальной оптимизации составляет задачу второго уровня. Применительно к функциям-Офаничениям (11) укажем условный характер функций доходов Ку ($,и) по состояниям и управлениям уровней стека протоколов.

Утверждение I: Функция дохода для глобального состояния процесса обработки и передачи пакетных данных, пересчитываемая к нижнему уровню стека протоколов, является марковской и для каждого уровня определяется как

Ж

Iri \ f//(*/•“/•*/)> l = L' (12)

V,{shui) = \

\f,{4tuhYhVM\ l = \,...,L-\, т.е. информация об усредненных потерях Vj+j уровня

/ + 1 является достаточной для рекуррентного вычисления по показателям качества обслуживания >/+1

уровня / на множестве состояний si и управлений щ ■

Используя информацию V/ /-уровня, уровню / - 1 нет

необходимости знать управления и динамику переходов процессов верхних уровней.

Для вычисления доходов функций-ограничений необходимо знать значения показателей QoS,

приведенные к нижнему уровню и определен-

ные совместно состояниями и управлениями по всем уровням стека

Пусть s текущее состояние процессов обработки и передачи БД по стску протоколов, тогда множество возможных уровней сервиса QoS |V^ (s/,W/ e Q/(s) Ha

уровне / стека может быть вычислено для всех сочетаний управления, доступных на каждом уровне.

Таким образом, при многоуровневой структуре процессов принятия решений на основе известного множества QoS уровень / имеется возможность исключить сообщения об управлениях и состояниях верхних уровней. Тем не менее, объем множества Q/(s) может оказаться

неприемлемо большим, что приводит к высокой сложности вычислений на более низких уровнях.

Предложим метод редукции количества уровней сервиса QoS для снижения объема управляющих сообщений вниз и повышения вычислительной эффективности процессов принятия решений. Определим соотношения между двумя ОоS’-уровнями на 1-ом уровне стека протоколов, используя терминологию "стохастического доминирования" и "Парето эквивалентности".

Определение 1: Уровень сервиса QoS

V/ = | TD[ ,DVj, PLj j. определенный для состояния

S[_^i на множестве управлений Uj является доминирующим по отношению к другому уровню сервиса QoS

V* = {го;,Dtf ,PL*,\

Уг<У;, (13)

если строгие неравенства TDi < TD*, DV; < DVf,

PLi < PL*, выполняются одновременно по всем показателям качества.

Определение 2: Уровень сервиса QoS

Vi ={TDhDV,,PL,} называется Парею эквивалентным

по отношению к уровню сервиса у* — |TD*,DV*,PL* j

Vl=Vl*

если каждый из уровней сервиса OoS доминировав не но

^ $ d * всем показателям QoS Vj <Vj или Vj >Vi .

Таким образом, функции V/ = {ГО/,ОУ/,РЕ/} не уменьшающиеся функции от Vj (] для текущего состояния s/ е S/ и управлений щ € £// •

Сохранение свойств доминирования QoS означает, что доминированный уровень QoS V/, обеспечиваемый

уровнем / не может перейти в доминирующий QoS при любом решении на более низком уровне, а следовательно, может не сообщаться нижнему уровню. Сохранение отношения доминирования значительно сокращает ме-журовневый обмен "вниз". В тоже время при решении задачи условной оптимизации и проверки выполнения

ограничений с требуемым уровнем качества У*, отсутствие доминирования уровня Vj = {TDi,DVj,PLA по

отношению у* =j^TDf ,DVj*,Pl?i j исключает возможность передачи его нижнему уровню.

Следовательно, в предлагаемой структуре межуров-невой оптимизации управления состояния и принимаемые решения сохраняют отношения "доминирования" ^oS-уровней по всем уровням иерархии и обладают важными свойствами:

<* *

Свойство 1: Если — V[+\ » го

V, = f{shuhYhVM )<v;= f(s,,uh Y,,Vm ) ’

Vi/ е5/,м/ eUt (14)

. d *

Свойство 2: Если F/+1>K/+1,to

V, =f(shuhYhVM)iV?=?(sh«hYhVMy

V.v/ e S/,Uj e Uj (15)

При проверке ограничений нет необходимости контролировать возможные сочетания управлений на различных уровнях, поскольку значения доходов V/ является достаточной статистикой состояний S[_^j и управлений -

Определение Множество допустимых уровней сервиса QoS Qj(.s) ня уровне /- это наибольшее подмножество Q'i(s) cQ/(s) е элементами, удовлетворяющими следующему условию: для любого уровня качества QoS

*

Vj е Q'i(s) нет другого V/ <Vj такого, что Vj eQ'i(s)-Следовательно, каждому уровню / требуется установить только ограниченное подмножество Q/(s) допустимых уровней сервиса QoS. Более того, 01раничснн0е подмножество Q'j(s) достаточно для последующей максимизации функции доходов в текущем состоянии.

Основываясь на терминах отношений, покажем, что для двух уровней сервиса QoS V/={TDi,DVi,PL/},

у* = |TD*,DV/*, t>L*j | > обеспечиваемых уровнем / и нахо-

d *

дящихся в отношешш доминирования У[<У[ , глобальный

доход У (,V| ,М|) < V* ) • Тогда в случае безусловной оптимизации по целевому функционалу (10) каждому уров-

ню / требуется установить только ограниченное подмноже-етво Qj (.v) оптимальных уровней качества QoS.

Утверждение 2: Максимизация функции доходов Vy (,Sj, г/j) Для ограниченного подмножества QJ(.v) допустимых (оптимальных) уровней QoS Vy эквивалентно максимизации на множестве возможных управлений

(16)

max

max Fy(s|,W]) =

KreQ' ueU

VYe Q'

Гу(5,м)'

Таким образом, каждому уровню / требуется установить только ограниченное подмножество Qj(s) допустимых уровней QoS, достаточное для последующей максимизации функции доходов в текущем состоянии.

Представим функционал динамического программирования (10), оптимизируемый совместными управлениями и е U всех уровней в следующем виде

V^(s)- max х

A Z p(4U'Z.)x-xP('si Iхьх'2,Щ)ry(s\,...,s'L)+,(i-j,...,4)) [

J

(17)

где =(s'bs2’—’sL)eSl^>L ~ ожидаемые состоя-

ния процесса обработки и передачи БД и совместные управления щ_ь1 =(uhU2,...,uL)eU^L-

Учитывая условно зависимый характер переходных вероятностей, функций доходов по ожидаемым состояниям и управлениям верхних уровней стека [5], а также условие нормировки вероятностей переходов

(18)

1=1

для нахождения оптимального значения целевой функции может быть предложен итерационный способ, реализующий декомпозицию функционала динамического программирования (17) по этапам обработки (рис. 3).

При данной многоуровневой структуре процесса принятия решений, каждый уровень определяет стратегию управления самостоятельно, основываясь исключительно на анализе динамики собственных состояний и информации, получаемой со смежных уровней. Локально оптимальные решения, полученные на каждом уровне, формируют в конечном итоге глобально оптимальную стратегию управления, обеспечивающую требуемые показатели QoS для трафика пользовательских приложений минимально необходимыми сетевыми ресурсами.

Прогноз ожидаемых значений параметров QoS

Итерация значений функции доходов

і TOW)

к Итерация Ж

Si..U г

Si,U,

S, Х-,

Прогноз QoS уровня I.

Локальним итерация значений уровня L

Прогноз QoS уровня /

4 {>/<*/-,/.)} ти

Прогноз QoS уровня 1

Локальная итерация значений уровня /

{w>}

\/s € S

!tv; иьи, )\ 4i Vk 1.2<»2->/.»

Итерация

к

Локалт.ная итерация значений уровня 1

(.()}

Итерация к I

Рис. 3. Структура иерархического процесса принятия решения

Заключение

Одним из важных положительных моментов впедрешм VSA /-оборудования в ведомствешплх спутниковых сетях (направлениях) является то, что производители предлагают достаточно мощную и многофункциональную систему управления спутниковым оборудованием, позволяющую путем модернизации аппаратно-программных средств увеличить число способов воздействия на процессы поддержания требуемого качества QoS. Централизованное принятие решения в этом случае требует каждому уровню знания полной априорной информации о динамике работы условно зависимых протоколов по всему пространству состояний и управлений.

Выявленные свойства многоуровневого иерархического управления позволяют предложить конструктивные способы поиска оптимальных стратегий управления в рамках теории марковских процессов принятия решений. Декомпозиция принятия решения позволяет сохранить качество решения оптимизационных задач иерархической структуры, повысив вычислительную эффективность в десятки раз. Полученное при этом решение не исключает возможности адаптации уровнями собствешгых моделей и стратегий принятия решений к динамике контролируемых процессов.

Литература

1. Giumhene G. Resource Management in Satellite Networks: Optimization and Cross-Layer Design, Springer, 2007, p.337.

2. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. - М.: Мир, 1973.- 341 с.

3. Юдин Д. Ь. Математические методы управления в условиях неполной информации. М.: Сов. радио, 1974. 400 с.

4. Сингх М., Титли А. Системы: декомпозиция, оптимизация, управление. — М.: Машиностроение, 1986. — 496 с.

5. Van der Schaar М., Shankar S. Cross-layer wireless multimedia transmission: challenges, principles, and new paradigms. - IEEE Wireless Commun. Mag., vol. 12, No4, pp. 1887-1903, Aug. 2005.

Ilyukhin A.A., Asociate professor, The Academy of Federal Security Guard Service of the Russian Federation, [email protected] Shcherbakov M.V., Student, The Academy of Federal Security Guard Service of the Russian Federation

Abstract. Scientific research is devoted to hardware and software design for network management system of efficient VSAT satellite networks. Queue management simulation techniques have been proposed for hierarchical layered architecture of the VSAT protocol stack. Network management system takes account of environment dynamics and interacts with the various layers of the protocol stack for decisions coordination. The cross-layer optimization problem is formulated as a layered Markov decision process (MDP) in which each layer adapts its own protocol parameters and exchanges information (messages) with other layers for more efficient use of radio resources. Layered dynamic programming operator is proposed to solve the cross-layer MDP problem. The layered dynamic programming operator aggregates own models and decision strategies each layer subject to cross-layer interactions. Structural and dynamics properties of hierarchical queue management techniques of the VSAT protocol stack are research and applied to ?nd the globally optimal actions.

Keywords: satellite networks, radio resources, hierarchical management system, cross-layer interaction, Markov decision process, dynamic programming.