2. Методы статической маршрутизации потоков данных в мульти-агентных ткс

Целью маршрутизации является планирование, оптимизация (по заданному критерию оптимальности) и адаптация маршрута передачи пакетов от источника запроса или данных к их получателю, которые в общем случае могут находиться в различных автономных подсетях глобальной ТКС. Для достижения этой цели маршрутизатор должен обладать информацией о топологии и стоимости каналов связей подсетей глобальной ТКС, об адресах узлов-источников и узлов-получателей данных, о критериях оптимальности маршрутов и т.п [1–4].

Целью управления является оптимизация передачи пакетов данных между соседними узлами маршрута и адаптация к перегруженному или неизвестному сетевому трафику, непредсказуемо изменяющемуся в реальном времени в широких пределах [1–3, 17–20].

В глобальных ТКС маршруты передачи потоков данных могут проходить как через узлы автономных подсетей, так и через узлы магистральных сетей, связывающих между собой эти подсети. В этом случае решение о выборе того или иного маршрута передачи пакетов внутри подсети принимают внутренние (локальные) маршрутизаторы этой подсети, а вне подсети – внешние (магистральные) маршрутизатор. Такая схема маршрутизации потоков данных по существу является распределённой (децентрализованной).

При централизованной схеме маршрутизации планирование и выбор маршрутов передачи пакетов возлагается на специальный магистральный маршрутизатор, который иерархически связан с остальными маршрутизаторами и координирует их работу.

Значительный интерес представляет также схема маршрутизации от узла-источника или ближайшего к нему маршрутизатора, так как в этом случае критерий оптимальности маршрута непосредственно задает клиент (пользователь) как внешний агент ТКС.

2.1. Задачи маршрутизации потоков данных и их роль в сетевом управлении ткс

Общая задача управления потоками данных в глобальных ТКС с пакетной коммутацией или маршрутизацией передаваемой информации распадается на две взаимосвязанные задачи:

1) планирование (вычисление), оптимизация и адаптация маршрутов передачи потоков данных от узла-источника (отправителя) запроса или данных к узлу-получателю (адресату) ТКС;

2) управление передачей потока данных по заданному маршруту с адаптацией к изменяющему трафику и возможным перегрузкам в ТКС.

Первая задача решается на сетевом уровне с помощью маршрутизаторов глобальной ТКС, которые обычно устанавливаются в узлах автономных подсетей глобальной ТКС или связывающих их магистральных сетей.

Вторая задача решается на уровне передачи данных с помощью систем адаптивного управления передачей пакетов данных от узла к узлу по спланированному маршруту.

Формализация и методы решения задач маршрутизации и управления потоками данных зависят от реального трафика и конкретных типов приложений, режимов эксплуатации ТКС, числа внешних агентов-пользователей и т.п. При этом потоком данных называется последовательность пакетов, обладающими некоторыми общими свойствами. Например, все потоки данных между узлом-источником и узлом-получателем ТКС должны иметь общие (одинаковые) IP-адреса этих узлов, определяющих начальный и конечный узлы маршрута передачи потока данных.

Простейшая статическая постановка задачи планирования и оптимизации маршрутов передачи данных основывается на предположении, что структура (число узлов, топология и стоимость каналов связи) ТКС известна и неизменна, а в роли внешнего агента-пользователя ТКС выступает один клиент, формирующий запрос к одному из узловых компьютеров сети.

Динамическая постановка задачи маршрутизации по запросу клиента исходит из того, что структура ТКС может изменяться с течением времени, но остаётся известной. При этом сетевая информация автоматически обновляется через определённые интервалы времени, что приводит к соответствующему изменению оптимальных маршрутов. Эти интервалы времени называются временем жизни маршрутов (Time to Live, TTL).

При адаптивной постановке задачи маршрутизация осуществляется в условиях неопределённости, когда топология каналов связи и трафик ТКС могут непредсказуемо изменяться, а доступная информация имеет локальный характер. Обновление сетевой информации позволяет скорректировать маршруты, приспосабливая их к изменяющимся условиям эксплуатации ТКС (сетевая перегрузка, отказы и т.п.).

Необходимость в динамической и адаптивной маршрутизации потоков данных в глобальных ТКС возникает в следующих случаях:

1) изменение стоимости каналов связи ТКС (например, при их замене);

2) отказ (выход из строя) в ТКС одного или нескольких каналов связи;

3) добавление в ТКС новых каналов связи;

4) отказ (выход из строя) одного или нескольких узлов ТКС;

5) добавление в ТКС новых узлов;

6) перегрузка каналов связи ТКС;

7) перегрузка (переполнение) буферов узлов ТКС.

В первом случае необходимо обновить данные о весах (стоимости) ребер графа ТКС, а во втором и третьем – исключить или добавить соответствующие ребра в графе ТКС. В четвертом и пятом случаях нужно изменить данные об узлах ТКС путем исключения или добавления соответствующих вершин (узлов) в графе ТКС. В шестом и седьмом случаях соответствующие ребра и вершины графа ТКС рассматриваются как “запретные” каналы связи и узлы, играющие роль непреодолимых препятствий для маршрутизации и передачи потоков данных.

Все указанные изменения структуры или параметров ТКС вносятся вручную (операторами или администраторами ТКС) или автоматически в локальные базы данных (БД) или базы знаний (БЗ) узлов ТКС. При этом узлы ТКС должны обмениваться информацией об изменениях своих БД или БЗ, используя доступные каналы связи и протоколы передачи данных. Поэтому все узлы, имеющие собственные (локальные) БД и БЗ и каналы связи между собой для обмена информацией, могут рассматриваться как информационные агенты ТКС, осуществляющие мониторинг ТКС и обновление информации о её текущем состоянии.

Изменения первого типа характеризуют динамику (нестационарность) ТКС (без изменения их структуры), а изменения второго-пятого типа приводят к изменению структуры (топологии) ТКС как объектов управления. Для учета и компенсации этих изменений необходима динамическая или адаптивная маршрутизация потоков данных в нестационарных ТКС.

Изменения (перегрузки) шестого и седьмого типов требуют адаптивной маршрутизации с обратной связью о текущем состоянии каналов связи и буферов узлов ТКС, обеспечивающей обход “запретных” (перегруженных) каналов и узлов.

Наконец, мульти-агентная постановка задачи требует разработки методов статической, динамической и адаптивной маршрутизации в условиях много-адресной передачи и коллективного использования ТКС, когда число внешних агентов-клиентов ТКС и количество их запросов может непредсказуемо изменяться с течением времени. В этом случае могут возникать сетевые перегрузки и конфликты, для предотвращения или разрешения которых нужны специальные алгоритмы и средства их реализации [29–34].

Предлагаемые методы решения указанных задач основываются как на развитии традиционных подходов к планированию и оптимизации маршрутов передачи пакетов данных в глобальных ТКС, так и на разработке адаптивных, нейросетевых и мульти-агентных маршрутизаторов нового поколения, обладающих высоким параллелизмом и быстродействием при обработке и передаче цифровой информации в реальном времени.

Аналогичным образом в статической, динамической, адаптивной и мульти-агентной постановке могут ставиться и решаться задачи управления передачей потоков данных по ранее спланированным маршрутам с учетом динамических особенностей и неопределенности трафика в ТКС [38–45].