MODERNÍ METODY PRO OPTIMALIZACI PŘEPÍNÁNÍ V POČÍTAČOVÝCH SÍTÍCH

Podobné dokumenty
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

ADAPTACE PARAMETRU SIMULAČNÍHO MODELU ASYNCHRONNÍHO STROJE PARAMETR ADAPTATION IN SIMULATION MODEL OF THE ASYNCHRONOUS MACHINE

DÁLKOVÁ SPRÁVA ŘÍDICÍCH SYSTÉMŮ V PROSTŘEDÍ CONTROL WEB 5

ANALÝZA A KLASIFIKACE BIOMEDICÍNSKÝCH DAT. Institut biostatistiky a analýz

Přednáška 3. Opakovače,směrovače, mosty a síťové brány

Využití neuronové sítě pro identifikaci realného systému

Rosenblattův perceptron

12. Virtuální sítě (VLAN) VLAN. Počítačové sítě I. 1 (7) KST/IPS1. Studijní cíl. Základní seznámení se sítěmi VLAN. Doba nutná k nastudování

Inovace výuky prostřednictvím ICT v SPŠ Zlín, CZ.1.07/1.5.00/ Vzdělávání v informačních a komunikačních technologií

7. Aplikační vrstva. Aplikační vrstva. Počítačové sítě I. 1 (5) KST/IPS1. Studijní cíl. Představíme si funkci aplikační vrstvy a jednotlivé protokoly.

ACTA UNIVERSITATIS AGRICULTURAE ET SILVICULTURAE MENDELIANAE BRUNENSIS SBORNÍK MENDELOVY ZEMĚDĚLSKÉ A LESNICKÉ UNIVERZITY V BRNĚ

ACTA UNIVERSITATIS AGRICULTURAE ET SILVICULTURAE MENDELIANAE BRUNENSIS SBORNÍK MENDELOVY ZEMĚDĚLSKÉ A LESNICKÉ UNIVERZITY V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

NG C Implementace plně rekurentní

Použití analyzátoru paketů bezdrátových sítí Wireshark

Aktivní prvky: brány a směrovače. směrovače

Seznámení s IEEE802.1 a IEEE a IEEE802.3

Měření kvality služeb - QoS

Modelování a simulace Lukáš Otte

Telekomunikační sítě Protokolové modely

5. Umělé neuronové sítě. Neuronové sítě

VYUŽITÍ UMĚLÉ NEURONOVÉ SÍTĚ PRO EMPIRICKÝ MODEL ŠÍŘENÍ SIGNÁLU

Systémy pro sběr a přenos dat

TOPOLOGIE DATOVÝCH SÍTÍ

Ing. Tomáš MAUDER prof. Ing. František KAVIČKA, CSc. doc. Ing. Josef ŠTĚTINA, Ph.D.

METODIKA ZPRACOVÁNÍ EKONOMICKÝCH ČASOVÝCH ŘAD S VYUŽITÍM SIMULÁTORŮ NEURONOVÝCH SÍTÍ

Počítačové sítě. Další informace naleznete na :

Téma bakalářských a diplomových prací 2014/2015 řešených při

Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Automatizace Téma: Datová komunikace. Osnova přednášky

Znalostní systém nad ontologií ve formátu Topic Maps

5. Směrování v počítačových sítích a směrovací protokoly

POTENCIÁLNÍ OHROŽENOST PŮD JIŽNÍ MORAVY VĚTRNOU EROZÍ

Profilová část maturitní zkoušky 2017/2018

XML Š ABLONY A JEJICH INTEGRACE V LCMS XML TEMPLATES AND THEIN INTEGRATION IN LCMS

Emergence chování robotických agentů: neuroevoluce

M. Pokorný, O. Trenz, V. Konečný

X.25 Frame Relay. Frame Relay

Návrh a implementace algoritmů pro adaptivní řízení průmyslových robotů

UPLATNĚNÍ ADITIVNÍHO INDEXOVÉHO ROZKLADU PŘI HODNOCENÍ FINANČNÍ VÝKONNOSTI ODVĚTVÍ ČESKÝCH STAVEBNÍCH SPOŘITELEN

ACTA UNIVERSITATIS AGRICULTURAE ET SILVICULTURAE MENDELIANAE BRUNENSIS SBORNÍK MENDELOVY ZEMĚDĚLSKÉ A LESNICKÉ UNIVERZITY V BRNĚ

Optické sítě. Počítačové sítě a systémy. _ 3. a 4. ročník SŠ technické. Ing. Fales Alexandr Software: SMART Notebook

Profilová část maturitní zkoušky 2013/2014

VÝVOJ NOVÉHO REGULAČNÍHO ALGORITMU KOTLE VERNER S PODPOROU PROGRAMU MATLAB

U Úvod do modelování a simulace systémů

Počítačové sítě. Další informace naleznete na :

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2014, Roztoky -

Routování směrovač. směrovač

1. Směrovače směrového protokolu směrovací tabulku 1.1 TTL

Aplikační inteligence a identity management jako základ bezpečné komunikace

QoS na L2/L3/L4. Brno, Ing. Martin Ťupa

SIMULACE JEDNOFÁZOVÉHO MATICOVÉHO MĚNIČE

Moderní nástroje pro vývoj elektronických řídicích jednotek

Moderní systémy pro získávání znalostí z informací a dat

PB169 Operační systémy a sítě

Metodologie řízení projektů

Kapitola třináctá. Datové sítě. Učební text. Mgr. Radek Hoszowski

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - AutoSympo a Kolokvium Božek 2. a , Roztoky -

Neuronové sítě v DPZ

Ověření možností generování provozu na platformě MikroTik + srovnání s Cisco a Open Source řešeními

SYSTÉM PRO KONFIGURACI KOMUNIKAČNÍCH TERMINÁLŮ A VIZUALIZACI STAVOVÝCH DAT Z KOLEJOVÝCH VOZIDEL

THE PREDICTION PHYSICAL AND MECHANICAL BEHAVIOR OF FLOWING LIQUID IN THE TECHNICAL ELEMENT

Měření kvality služeb. Kolik protlačíte přes aktivní prvky? Kde jsou limitní hodnoty ETH spoje? Data Hlas Video. Black Box Network Infrastructure

Benefity a úskalí plošného souvislého sledování IP provozu na bázi toků při řešení bezpečnostních hlášení

Řízení pohybu stanice v simulačním prostředí OPNET Modeler podle mapového podkladu

Definice pojmů a přehled rozsahu služby

2. RBF neuronové sítě

SPŠ a VOŠ Písek, Písek, K. Čapka 402. Učební texty. Datové sítě I. Vypracovala: Mgr. Radka Pecková

Neuronové sítě Ladislav Horký Karel Břinda

MPLS MPLS. Label. Switching) Michal Petřík -

POLOHOVÁNÍ ULTRAZVUKOVÉHO SENZORU

REKONFIGURACE FPGA. Božetěchova 1/2, Brno.

Počítačová síť. je skupina počítačů (uzlů), popřípadě periferií, které jsou vzájemně propojeny tak, aby mohly mezi sebou komunikovat.

Název a označení sady: Člověk, společnost a IT technologie; VY_3.2_INOVACE_Ict

Optimalizace pro vyhledavače a přístupnost webu

Aktivní prvky: přepínače

X36PKO Úvod Jan Kubr - X36PKO 1 2/2006

P. Verner, V. Chrást

Zajištění kvality služby (QoS) v operačním systému Windows

Pavol Bukviš 1, Pavel Fiala 2

QoS na L2/L3/L4. Jak prokazovat kvalitu přípojky NGA. Ing. Martin Ťupa Ing. Jan Brouček, CSc. PROFiber Networking CZ s.r.o.

Unstructured data pre-processing using Snowball language

TAKTILNÍ PLOŠNÉ SNÍMAČE A JEJICH KALIBRACE Tactile Surface Sensors and Their Calibration

LADISLAV RUDOLF. Doc., Ing., Ph.D., University of Ostrava, Pedagogical fakulty, Department of Technical and Vocational Education, Czech Republic

PREDIKCE DÉLKY KOLONY V KŘIŽOVATCE PREDICTION OF THE LENGTH OF THE COLUMN IN THE INTERSECTION

Seznámit posluchače se základními principy činnosti lokálních počítačových sítí a způsobu jejich spojování:

Adaptabilní systém pro zvýšení rychlosti a spolehlivosti přenosu dat v přenosové síti

Umělé neuronové sítě

VYHLEDÁNÍ NEJDELŠÍHO SHODNÉHO PREFIXU V FPGA

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/ Elektronická podpora zkvalitnění výuky CZ.1.07 Vzděláním pro konkurenceschopnost

ACTA UNIVERSITATIS AGRICULTURAE ET SILVICULTURAE MENDELIANAE BRUNENSIS SBORNÍK MENDELOVY ZEMĚDĚLSKÉ A LESNICKÉ UNIVERZITY V BRNĚ

3. Linková vrstva. Linková (spojová) vrstva. Počítačové sítě I. 1 (5) KST/IPS1. Studijní cíl

Infor APS (Scheduling) Tomáš Hanáček

Počítačové sítě. Lekce 4: Síťová architektura TCP/IP

Využití hybridní metody vícekriteriálního rozhodování za nejistoty. Michal Koláček, Markéta Matulová

ACTA UNIVERSITATIS AGRICULTURAE ET SILVICULTURAE MENDELIANAE BRUNENSIS SBORNÍK MENDELOVY ZEMĚDĚLSKÉ A LESNICKÉ UNIVERZITY V BRNĚ

6. Transportní vrstva

MPLS Penultimate Hop Popping

STUDIUM SKLOKERAMICKÝCH POVLAKŮ V BIOLOGICKÉM PROSTŘEDÍ

3.17 Využívané síťové protokoly

KLASIFIKÁTOR MODULACÍ S VYUŽITÍM UMĚLÉ NEURONOVÉ SÍTĚ

Transkript:

ACTA UNIVERSITATIS AGRICULTURAE ET SILVICULTURAE MENDELIANAE BRUNENSIS SBORNÍK MENDELOVY ZEMĚDĚLSKÉ A LESNICKÉ UNIVERZITY V BRNĚ Ročník LVII 4 Číslo 6, 2009 MODERNÍ METODY PRO OPTIMALIZACI PŘEPÍNÁNÍ V POČÍTAČOVÝCH SÍTÍCH M. Cepl, J. Šťastný Došlo: 8. července 2009 Abstract CEPL, M., ŠŤASTNÝ, J.: Progressive optimization methods for applied in computer network. Acta univ. agric. et silvic. Mendel. Brun., 2009, LVII, No. 6, pp. 45 50 Standard core of communications networks is represent by active elements, which carries out the processing of transmitted data units. Based on the results of the processing the data are transmitted from sender to recipient. The hardest challenge of the active elements present to determine what the data processing unit and what time of the system to match the processing priority assigned to individual data units. Based on the analysis of the architecture and function of active network components and algorithms, artificial neural networks can be assumed to be effectively useable to manage network elements. This article focuses on the design and use of the selected type of artificial neural network (Hopfield neural network) for the optimal management of network switch. active network element, switch, algorithm, Hopfield neural network, optimize Datové přenosy jsou založeny na propojení počítačů a různých počítačových sítí. Na nejnižší vrstvě je vždy použit rychlý hardware, např. přepínač, schopný dodat data i z odlišných typů propojených sítí k danému příjemci. Na přepínače jsou kladeny vysoké nároky, především na rychlost zpracování příchozího datového toku, což klade rovněž vysoké nároky na rozhodovací systém, který řídí přeposlání datových jednotek na výstupní port. Složitost celého systému je dána z velké části právě rozhodovací jednotkou. Cílem příspěvku je návrh využití umělých neuronových sítí v oblasti optimalizace komunikačních procesů, ve kterých jsou kladeny velké nároky na rychlost propojení. Jedná se o návrh architektury přepínače využívající Hopfieldovu umělou neuronovou síť (Hopfield, J., 1985) pro optimalizaci priorit ní ho přepínání a metodiky realizace problému pomocí algoritmů této neuronové sítě. MATERIÁL A METODY Hopfieldova neuronová síť J. J. Hopfieldem (Hopfield, J., 1985) byla navržena umělá neuronová síť, která se vyznačuje speciální zpětnovazební strukturou. Hopfieldova síť patří mezi jednovrstvé sítě, u níž jsou výstupy jednotlivých neuronů vedeny zpět na vstup ostatních neuronů. Důsledkem zpětnovazební struktury je získána nová vlastnost neuronové sítě, časová závislost. Taková struktura umožňuje implementovat algoritmy, které jsou založeny na iteračních procesech. Během řešení iteračního procesu se minimalizuje energetická funkce sítě. Řešení optimalizační úlohy lze proto realizovat vhodnou transformací optimalizační úlohy na energetickou funkci neuronové sítě. Hopfieldova síť (Šíma, J., 1996) nalézá své uplatnění jako asociativní paměť pro řešení optimalizačních a klasifikačních problémů. Optimalizace se provádí vhodnou transformací optimalizační úlohy na energetickou funkci neuronové sítě. Energetická funkce každému stavu sítě přiřazuje jeho potenciální energii, je zdola ohraničená a pro daný stav systému je nerostoucí. V teorii neuronových sítí se stavem systému rozumí množina aktivací všech neuronů. Pokud je již tato energetická funkce nalezena, bude síť konvergovat ke stabilní množině aktivací neuronů v daném časovém okamžiku. Hopfieldova síť představuje iterativní proces minimalizující energii sítě. Proces učení Hopfieldovy sítě (Šíma, J., 1996) lze popsat následujícími dvěma kroky: Krok 1. Pro každý vzor je vypočítána dílčí matice N N, kde N je počet vstupů. Prvky této matice vzniknou vynásobením i-tého vstupu s j-tým vstu- 45

46 M. Cepl, J. Šťastný pem (každý s každým), podle následujícího pravidla: M 1 x is x js, pro i j w ij = s=0 0, pro i = j, 0 i, j N 1, kde, w ij je váha mezi neuronem i a j, x i a x j jsou i-tý a j-tý elelement s-tého vstupního vzoru, nabývající hodnot 1 nebo 1. Vzniklá dílčí matice je následně přičtena k celkové matici vah, což vyplývá z výše uvedené rovnice. Všechny prvky celkové matice vah jsou na počátku učení nulové. Krok 2. Jestliže nebyly předloženy všechny trénovací vzory, opakuj krok 1 pro další trénovací vzor. Trénovacích vzorů je celkem M. Každý vzor je učen pouze jednou. Architektura síťového prvku Základní funkce přepínače jsou přeposlání každé datové jednotky na správný cílový port a rozhodnutí, která z několika příchozích datových jednotek určených pro tentýž cílový port bude přeposlána jako první. Tyto funkce jsou řešeny systémem uchovej a pošli (Dostálek, L., 2002). Příchozí pakety, které nemohou být bezprostředně doručeny na odpovídající port, jsou uloženy v paměti přepínače a jejich odeslání je závislé na typu paměti. Jeden z možných základních přepínacích obvodů implementovaný v přepínači je znázorněn na obrázku 1. 1: Základní přepínací prvek Obvod se skládá z následujících částí: rozhodovací obvod zpožďovací obvod propojovací obvod vstupní a výstupní porty. Datové jednotky přicházejí na vstupní porty a zároveň jsou přiváděny do rozhodovacího obvodu, který má za cíl zpracovat hlavičky jednotlivých datových jednotek a na základě zpracování nastavit propojovací obvod. Propojovací obvod je složen z dvojitého multiplexoru, který muže být ve stavu přímého nebo křížového propojení. Rozhodovací obvod udržuje výsledek rozhodnutí pro přeposlání datové jednotky a zpožďovací obvody zajišťují synchronizaci propojovacího obvodu s jednotlivými datovými jednotkami. Složitost celého obvodu je dána nároky na rozhodovací jednotku. Úlohou přepínače (Dostálek, L., 2002) je zpracovávat příchozí pakety a posílat je na požadovaný cílový port. Zařízení musí být schopné řešit situace, ve kterých přichází několik paketů ve stejný časový okamžik, nebo pokud mají být příchozí data přepnuta z více zdrojů na stejný cílový port. Pro účely simulace je navržen model přepínače, který je zobrazen na obrázku 2. Model přepínače se skládá z následujících bloků: Generátor paketů Vstupní paměť Neuronová síť Přepínací pole Výstupní porty. Generátor datových jednotek má za úkol náhodně generovat datový tok. Pro účely simulace jsou generované datové jednotky náhodné délky, náhodné cílové adresy výstupního portu, na který se má datová jednotka přeposlat, a priorita. Generovaná data jsou přivedena a uložena do vstupní vyrovnávací paměti, která pracuje jako paměť typu FIFO. Generovaná cílová adresa výstupního portu a priori ta zpracování datové jednotky poskytuje vstupní informace pro neuronovou síť. Ze vstupních dat lze vytvořit matici N N, obsahující v jednotlivých řádcích priority vstupních datových jednotek, které mají být přivedeny na dané výstupní porty. Každý vstupní port je dán n-rozměrným vektorem priorit, kde n udává počet portů přepínače. Jednotlivé členy vytvořeného vektoru obsahují priority datového toku směřujícího na dané výstupní porty přepínače. První člen obsahuje prioritu datového toku směřujícího na první výstup, druhý člen obsahuje prioritu datového toku směřujícího na druhý výstup atd. Takto vzniklá matice je přivedena na vstupy neuronové sítě, která má za úkol provést optimalizaci nastavení přepínacího pole. Přepínací pole je soustava přepínačů, které propojují vstupní porty s výstupními podle optimalizovaného nastavení získaného z výstupu neuronové sítě. V ideálním případě je vždy spojen jeden vstup s výstupem a aktivní prvek pak dosahuje největší efektivity. VÝSLEDKY A DISKUSE Pro testování byl použit software Matlab s nadstavbou Simulink společnosti MathWorks. Prostředí Matlab umožňuje provádění simulačních experimentů s různými typy dat. Navržený model síťového přepínače je možné testovat s použitím různých

Moderní metody pro optimalizaci přepínání v počítačových sítích 47 2: Model přepínače typů neuronových sítí. Pro optimalizaci prioritního řízení síťového přepínače byla v prostředí Matlab použita Hopfieldova neuronová síť. Pro testování a porovnání výsledků je možné použít dále například Kohonenovu neuronovou síť nebo sítě RBF (Šťastný, J., 2007). Simulace řízení síťového přepínače pomocí Hopfieldovy neuronové sítě je vytvořena v prostředí Matlab/Simulink. Simulace vychází z architektury síťového prvku a je prováděna na aktivním síťovém prvku se čtyřmi porty. Schéma simulace je na obrázku 3. Vstupní data jsou náhodně generována v bloku Net a obsahují cílový port a hodnotu priority. Schéma zapojení bloku Net je na obrázku 4. Generované hodnoty datových jednotek jsou uloženy v zásobníku. Z nich je pak sestavena matice, která poskytuje vstupní data pro neuronovou síť. Neuronová síť poté provede optimalizaci vstupních dat. Výsledkem této optimalizace je matice, která slouží jako vstup do spojového pole (viz obr. 3). Výsledná matice pro spojovací pole obsahuje pouze hodnoty 0 a 1, přičemž v každém řádku a v každém sloupci je právě jedna hodnota 1. Spojové pole pak propojí dané vstupy s výstupy a provede se vlastní přenos dat. Model s náhodně generovanými daty by bylo dále možno upravit podle obrázku 5. Na vstupy upraveného modelu přepínače budou přiváděna reálná data získaná ze síťového provozu. Model je rozšířen o paměť pro výstupní porty a vstupní paměť představuje jeden blok. Výsledný model je možné rovněž testovat s použitím jiných typů neuronových sítí, případně lze optimalizaci přepínání řešit pomocí hybridních fuzzy modelů (Chang, B. R., 2009) nebo spektrální analýzy (Tzagkarakis, G., 2009). 3: Celkové schéma simulace v prostředí Matlab/Simulink

48 M. Cepl, J. Šťastný 4: Schéma zapojení bloku Net 5: Upravený model přepínače SOUHRN Příspěvek se zabývá návrhem architektury síťového prvku s využitím neuronové sítě pro optimální řízení datového toku. Klíčovým parametrem pro návrh aktivního síťového prvku je rychlost zpracování datového toku. Návrh je založen na paralelním zpracování příchozích datových toků s využitím stochastických optimalizačních metod, čímž je dosaženo zvýšené propustnosti síťového přepínače. Popis se zaměřuje na využití Hopfieldovy neuronové sítě, která dosahuje v optimalizačních procesech nadějných výsledků. Uvedený návrh zpracování datového toku pomocí neuronové sítě dává na základě provedených simulačních experimentů v prostředí Matlab nadějné výsledky pro nasazení v reálné aplikaci. Možnost realizace navrženého modelu skýtá vývojový kit NetFPGA (NetFPGA, 2009). Tento kit je používán pro vytvoření a testování gigabitového ethernetového přepínače a Internet Protocol (IP) směrovače, který využívá hardwarové přeposílání paketů. aktivní síťový prvek, přepínač, algoritmus, Hopfieldova neuronová síť, optimalizace SUMMARY This paper proposed a network element architecture using neural networks for optimal management of data flow. A key parameter for the design of an active network element is the speed of processing the data stream. This proposition is based on parallel processing of incoming data streams using stochastic optimization methods which achieve an increased permeability of the network switches. Description focuses on the use of Hopfield neural network which reaches the promising results of the optimization process. This proposition of data stream processing using neural networks based on simulation experiments in the Matlab environment gives encouraging results for use in real application. The possibility of realization of the proposed model offers a development kit NetFPGA. This kit is used for the creation and testing of Gigabit Ethernet switches and Internet Protocol (IP) routers which use hardware packet forwarding. Příspěvek vznikl v rámci řešení: VZ MSM 6215648904/03/03/02 (Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně) VZ MSM0021630529 (Vysoké učení technické v Brně) GAČR/102/07/1503 (Vysoké učení technické v Brně)

Moderní metody pro optimalizaci přepínání v počítačových sítích 49 LITERATURA DOSTÁLEK, L., KABELOVÁ, A., 2002: Velký průvodce protokoly TCP/IP a systémem DNS. Praha: Computer Press, 426 s. ISBN: 80-7226-675-6. HOPFIELD, J. J., TANK, D. W., 1985: Neural Computation of Decisions in Optimization Problems, Biological Cybernetics. 141 152, DOI 10.1007/ BF00339943. CHANG, B. R., TSAI, H. F., 2009: Improving network traffic analysis by foreseeing data-packet-flow with hybrid fuzzy-based model prediction. Expert Systems with Applications 36: 6960 6965, DOI 10.1016/j. peva.2008.10.010. NetFPGA [online]. 2009, 2009 [cit. 2009-06-25]. Dostupný z WWW: <http://www.netfpga.org/>. ŠÍMA, J., NERUDA, R., 1996: Teoretické otázky neuronových sítí. MATFYZPRESS, Praha, ISBN 80-85863-18-9. ŠŤASTNÝ, J.; ŠKORPIL, V., 2007: Analysis of Algorithms for Radial Basis Function Neural Network. Personal Wireless Communications: 54 62, ISBN 978-0-387-74158-1. TZAGKARAKIS, G., PAPADOPOULI, M., PANA- GIOTIS, T., 2009: Trend forecasting based on Singular Spectrum Analysis of traffic workload in a large-scale wireless LAN, Performance Evaluation 66: 173 190. DOI 10.1016/j.eswa.2008.08.038. Adresa Ing. Miroslav Cepl, doc. RNDr. Ing. Jiří Šťastný, CSc.,Ústav informatiky, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Zemědělská 1, 613 00 Brno, Česká republika, e-mail: miroslav.cepl@mendelu.cz, jiri. stastny@mendelu.cz

50