دراسة وتحسين خوارزميّات توضيع الخدمات ذاتيّة التّأقلم ضمن الشبكات المستقبليّة

اسم الباحث : المهندسة منار الجبر

اسم المشرف:الدكتورة جمانا دياب   +  الدكتور علي ذياب   

العنوان : دراسة وتحسين خوارزميّات توضيع الخدمات ذاتيّة التّأقلم
ضمن الشبكات المستقبليّة

العنوان باللغة الإنكليزية :A Study and Improvement of Self-Organized Service Placement Algorithms in Future Communication Network

العام :2021

القسم :هندسة التحكم الآلي والحواسيب

الملخص:نقدّم في هذه الأطروحةِ دراسةً لمسألةِ توضيعِ الخدماتِ ذاتيّةِ التّأقلمِ ضمن الشّبكاتِ المستقبليّةِ. فمع وجودِ أكثر من 30 مليون جهازٍ متّصلٍ بالشّبكة بحلول عام 2023 وفقاً لمؤشّر سيسكو (Cisco) للشّبكات (Cisco Visual Network Index (VNI))، يكون من الواضح أنّ البنى التحتيّة الحاليّة لن تكون قادرةً على دعمِ جميعِ البياناتِ التي سيتمّ تناقلها. وهذا يخلقُ صعوباتٍ كبيرةً لا سيّما في الطّلب المتزايد على الخدمات سواءً كانت تطبيقاتٍ بسيطةً أو أخرى عالية الأداء مثل تطبيقات تدفق الفيديو (Video Streaming)، الألعاب (Gaming)، تحديثات الزّمن الحقيقي (Real Time Updates)، خدمات الحوسبة السّحابيّة (Cloud Computing) وغيرها. ويرتبط التحدّي العلمي بشكلٍ أساسٍ عند أخذ مسألة توضيع الخدمات(Service Placement Problem (SPP))   بالحسبانِ، مع التّكيّف والتّأقلم تجاه الشّروط المتغيّرة باستمرارٍ، وهذا يُعتبر أمرٌ بالغ الصّعوبة والأهميّة بآنٍ واحدٍ ضمن الشّبكات المستقبليّة.

وتُشيرُ مسألةُ توضيعِ الخدماتِ إلى اختيارِ العقدةِ الأنسبِ ضمنَ الشّبكةِ من أجل استضافةِ الخدمة، إذ يقّللُ التّوضيعُ المثاليُّ لنسخ الخدماتِ (Services Replicas) من كلفة تخديمِ الزّبائن، ويحسّن من الاتّصال بين الزّبائن والمخدّمات، ويمكّن من المحافظةِ على جودة الخدمةِ وتحسينِ استخدامِ المصادرِ المتوفّرة.

وتعالج هذه الأطروحة مسألة توضيع الخدمات، وتقدّم دراسةً للحلول المطروحة من أجل حلّ هذه المسألة. إذ تمّت مقارنة طيفٍ واسعٍ من الحلول المقترحة بشكلٍ نوعيّ (Quantitative) باستخدام مجموعةٍ من المعايير وهي: قابلية الحلّ للتّوسعة (Scalability)، والمتانة (Robustness)، ومجال المعلومات المطلوب من أجل توضيع الخدمة (Knowledge-scope)، والتّأقلم الذاتيّ (self-Organization)، وزمن الاستجابة (Response Time)، وموازنة الحمل (Load Balancing)، استخداميّة المصادر (Resource Utilization)، وعرض الحزمة (Bandwidth)، وقابليّة الحلّ للتّطبيق ضمن الشّبكات المستقبليّة (Future Networks Applicability).

تبيّن من خلالِ نتائج الدّراسة والمقارنةِ أنّ خوارزميّةِ التّأقلم الذّاتيّ لكثافة الشّبكة (Self-Organized Network Density (SONDe)) تُعتَبر من أهمّ الخوارزميّاتِ ضمنَ مجالِ توضيعِ الخدماتِ ذاتيّةِ التّأقلمِ، إذ تنقصُ من استهلاكِ المصادر، وتحقّق وفرةَ المخدّمات (Availability) التي يصلُ عددها إلى حالة الاستقرار بعد فترةٍ من الزمن أقصر مقارنةً مع نظرائها. من الجدير بالذّكر أنّ هذه الخوارزميّة تمتازُ بمرونتها وقابليّتها للتوسّعة بحيث يمكنُ اعتبارها قابلة للتّطبيق ضمنَ الشّبكات المستقبليّة، لكنّها تعاني من كلفةِ الاتّصالات العالية النّاتجة عن الرّسائل المتبادلة بين عقد الشّبكة.

تمّ ضمن هذه الأطروحة ومن أجل تلافي هذه السلبيّة تحسينِ أداءِ خوارزميّة (SONDe) من ناحية توفيرِ عرضِ الحزمةِ المستخدم (Bandwidth)، وإنقاص التأخير الزمني (Delay)، إذ تمّ اقتراح الخوارزميّة المحسّنة للتّأقلم الذّاتي لكثافة الشّبكة (Enhanced-SONDe (E-SONDe)).

أثبتت النتائج أنّ خوارزميّة (E-SONDe) تتفوّقُ في الأداء على خوارزميّةِ (SONDe)، وهي قادرة على التّأقلم الذّاتي إلّا أنّ الرّسائل المتبادلة بين العقد تسبب كلفةً وحملاً زائداً.

تمّ من أجل إنقاص هذه الكلفة تصميم خوارزميّةٍ استدلاليّةٍ (Meta-Heuristic) لتوضيعِ نسخِ الخدماتِ في الشّبكةِ تدعى الخوارزميّة ذاتيّة التأقلم المعتمدة على الاستدلال (Heuristic Based Self-Organized (HBSO)). تعتمد على المعلوماتِ المستوحاةِ من الحملِ الذي تولّده العقدُ الزبائنُ، وبنيةِ الشبكةِ المتغيّرة باستمرارٍ وفقاً لتغيّرِ مواقعِ العقدِ وحركيّتها.

قمنا من أجل تقويم عمل خوارزميات (SONDe) و(E-SONDe) و(HBSO) بإجراء محاكاة باستخدام المحاكي (NS-3)، ومقارنة أدائها وفق مجموعة من المعايير مثل عدد القفزات (Hop Count) التي تعبرها الطلبات بين الزبائن والمخدمات، وزمن رحلة الذهاب والإياب (Round Trip Time (RTT))، وعرض الحزمة (Bandwidth)، وكلفة الاتصالات (Communication Cost)، ومعدّل تسليم الرزم (Packet Delivery Rate (PDR)).

بينت النّتائجُ أنّ خوارزميّةَ (HBSO) الاستدلاليّة المقترحة حقّقت تحسيناً في الأداءِ من ناحيةِ تلبيةِ الخدماتِ المطلوبةِ خلال زمنٍ أقصر وعرض حزمةٍ أصغر، وكلفةٍ أقلّ مقارنةً بكلّ من خوارزميّتي (SONDe) و(E-SONDe)، إذ تقوم هذه الخوارزميّة بإنجاز التّوضيع المثاليّ لنسخِ الخدماتِ بحيث تصبحُ المسافةُ التي تعبرها الطلباتُ القادمة من العقد الزبائن أصغر ما يمكن نتيجةَ توضيعِ الخدمات في مواقع قريبةٍ منهم.

أثبتت النّتائج أيضاً أنّ خوارزميّةَ (HBSO) الاستدلاليّة حقّقت تسليماً للرزم بين الزّبائن والمخدّمات بمعدّلات تفوق مثيلاتها في الطّرائق الأخرى، أي مستوىً أعلى من جودة الخدمة وموثوقيّة أكبر، مع المحافظة على وفرة الخدمات باستمرارٍ، وبالنّتيجة تحقيق الأداء الأمثل بنجاحٍ وبكلفةٍ أقلّ.

الكلمات المفتاحيّة: مسألة توضيع الخدمات، نسخ الخدمات، خوارزميّة (SONDe)، خوارزميّة (E-SONDe)، خوارزميّة (HBSO) الاستدلاليّة.

تحميل البحث