mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2025-13-5-41-50KVUAJFmireabulletin-1243Research ArticleИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. ИНФОРМАТИКА. ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИINFORMATION SYSTEMS. COMPUTER SCIENCES. ISSUES OF INFORMATION SECURITYАнализ процессов передачи информации в многомодовых оптоволоконных сетях с маркерным методом доступаAnalysis of information transmission processes in multimode fiber-optic networks with a token-based access methodhttps://orcid.org/0000-0002-7192-2446ЖматовД. В.ZhmatovD. V.

Жматов Дмитрий Владимирович, к.т.н., доцент, доцент кафедры математического обеспечения и стандартизации информационных технологий, Институт информационных технологий

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Scopus Author ID 56825948100

Dmitry V. Zhmatov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Mathematical Support and Standardization, Institute of Information Technologies

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

zhmatov@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3673-2468ЛеонтьевА. С.LeontyevA. S.

Леонтьев Александр Савельевич, к.т.н., старший научный сотрудник, доцент кафедры математического обеспечения и стандартизации информационных технологий, Институт информационных технологий

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Alexander S. Leontyev, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Associate Professor, Department of Mathematical Support and Standardization, Institute of Information Technologies

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

leontev@mirea.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2025081020251354150Copyright © Жматов Д.В., Леонтьев А.С., 20252025Жматов Д.В., Леонтьев А.С.Zhmatov D.V., Leontyev A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/1243

Цели. Целью работы являются разработка и анализ математической модели передачи информации в многомодовых оптоволоконных кольцевых сетях с маркерным методом доступа для обеспечения эффективного взаимодействия устройств интернета вещей (Internet of Things, IoT). Работа направлена на оценку вероятностно-временных характеристик, надежности и производительности сетевой инфраструктуры, а также оптимизацию параметров передачи данных с учетом специфики IoT и особенностей оптоволоконной среды.Методы. В ходе исследования применены методы теории надежности для оценки устойчивости сети к отказам и увеличения ее эксплуатационной эффективности, методы теории случайных процессов для моделирования динамики передачи данных в условиях изменяющейся нагрузки, а также методы теории массового обслуживания для анализа распределения трафика и управления очередями пакетов. Дополнительно использовано преобразование Лапласа – Стилтьеса, позволяющее вывести функциональные уравнения, описывающие вероятностно-временные характеристики передачи данных и обеспечивающие точное математическое моделирование сетевых процессов.Результаты. Исследованы процессы передачи информации в многомодовых оптоволоконных сетях с маркерным доступом в контексте IoT-систем. Проведен анализ временных характеристик передачи пакетов различных классов, включая критически важные данные IoT-устройств.Выводы. Результаты исследования подтверждают, что многомодовая оптоволоконная среда является эффективной основой для IoT-инфраструктуры, обеспечивая высокую пропускную способность и устойчивость к отказам. Включение характеристик надежности в модель позволило учесть влияние отказов оптоволоконной среды и узлов сети на производительность. Оптимизация параметров маркерного метода доступа, включая временные интервалы и политику передачи маркеров, существенно повышает общую производительность сети, снижая вероятность коллизий, и увеличивает пропускную способность. Разработанная математическая модель предоставляет эффективный инструмент для анализа и проектирования локальных сетей на основе многомодовых оптоволоконных технологий. Это особенно важно для сетей, обслуживающих критически важные инфраструктуры.

Objectives. The study sets out to develop and analyze a mathematical model for information transmission in multimode fiber-optic ring networks using a token-based access method to ensure efficient interaction between Internet of Things (IoT) devices. The work aims to evaluate the probabilistic and time-related characteristics, as well as the reliability and performance of the network infrastructure to optimize data transmission parameters, taking into account the specifics of IoT and the peculiarities of the fiber-optic medium.Methods. Reliability theory methods are used to assess the network’s resilience to failures and increase its operational efficiency, along with techniques from the theory of stochastic processes to model the dynamics of data transmission under varying loads and approaches from queueing theory to analyze traffic distribution and packet queue management. The Laplace–Stieltjes transform is applied to derive functional equations that describe the probabilistic and time-related data transmission characteristics, enabling precise mathematical modeling of network processes.Results. The information transmission processes occurring in multimode fiber-optic networks with token access in the context of IoT systems were studied. The temporal characteristics of packet transmission for different classes, including critical IoT device data, were analyzed.Conclusions. The results confirm that multimode fiber-optic media provide an efficient foundation for IoT infrastructure that offers both high throughput and fault tolerance. By incorporating reliability characteristics into the model, it was possible to account for the impact of fiber-optic medium and network node failures on performance. Optimizing the parameters of the token-based access method, including time intervals and token transmission policies, significantly improves overall network performance by reducing collision probability and increasing throughput. The developed mathematical model provides an effective tool for analyzing and designing local networks based on multimode fiberoptic technologies. This fact is especially important for networks serving critical infrastructure.

FDDI-сетимаркерный метод доступамоделивременные характеристикиотказыпроизводительностьFDDI networkstoken-based access methodmodelstemporal characteristicsfailuresperformanceReferencesЛеонтьев А.С., Жматов Д.В. Аналитический метод анализа процессов передачи сообщений в оптоволоконных сетях с маркерным доступом для цифровых подстанций. Russ. Technol. J. 2024;12(6):26–38. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2024-12-6-26-38Leontyev A.S., Zhmatov D.V. Analytical method for analyzing message transmission processes in FDDI networks for digital substations. Russ. Technol. J. 2024;12(6):26–38. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2024-12-6-26-38Леонтьев А.С. Разработка аналитических методов, моделей и методик анализа локальных вычислительных сетей. Теоретические вопросы программного обеспечения: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МИРЭА; 2001. С. 70–94.Leontyev A.S. Development of Analytical Methods, Models, and Techniques for Local Area Networks Analysis. In: Theoretical Issues of Software Engineering: Interuniversity Collection of Scientific Papers. Moscow: MIREA; 2001. Р. 70–94 (in Russ.).Леонтьев А.С. Многоуровневые аналитические и аналитико-имитационные модели оценки вероятностно-временных характеристик многомашинных вычислительных комплексов с учетом надежности. Международный научно-исследовательский журнал. 2023;5(131). https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.131.8Leontyev A.S. Multilevel Analytical and Analytical-Simulation Models for Evaluating the Probabilistic and Temporal Characteristics of Multimachine Computing Complexes with Regard to Reliability. Mezhdunarodnyi nauchno-issledovatel’skii zhurnal = International Research Journal. 2023;5(131) (in Russ.). https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.131.8Sapna, Sharma M. Performance evaluation of a wired network with & without Load Balancer and Firewall. In: 2010 International Conference on Electronics and Information Engineering. Kyoto, Japan. 2010. P. V2-515–V2-519. https://doi.org/10.1109/ICEIE.2010.5559755Sapna, Sharma M. Performance evaluation of a wired network with & without Load Balancer and Firewall. In: 2010 International Conference on Electronics and Information Engineering. Kyoto, Japan. 2010. P. V2-515–V2-519. https://doi.org/10.1109/ICEIE.2010.5559755Wei M., Chen Z. Study of LANs access technologies in wind power system. In: IEEE PES General Meeting. Minneapolis, MN, USA. 2010.Wei M., Chen Z. Study of LANs access technologies in wind power system. In: IEEE PES General Meeting. Minneapolis, MN, USA. 2010.Звонарева Г.А., Бузунов Д.С. Использование имитационного моделирования для оценки временных характеристик распределенной вычислительной системы. Открытое образование. 2022;26(5):32–39. https://doi.org/10.21686/1818-4243-2022-5-32-39Zvonareva G.A., Buzunov D.S. Using Simulation Modeling to Estimate Time Characteristics of a Distributed Computing System. Otkrytoe obrazovanie = Open Education. 2022;26(5):32–39 (in Russ.). https://doi.org/10.21686/1818-4243-2022-5-32-39Кульба В.В., Мамиконов А.Г., Шелков А.Б. Резервирование программных модулей и информационных массивов в АСУ. Автоматика и телемеханика. 1980;8:133–141.Kul’ba V.V., Mamikonov A.G., Shelkov A.B. Redundancy of program modules and data arrays in a MIS. Avtomatika i telemekhanika = Automation and Remote Control. 1980;8:133–141 (in Russ.).Талалаев А.А., Фроленко В.П. Отказоустойчивая система организации высокопроизводительных вычислений для решения задач обработки потоков данных. Программные системы: Теория и приложения. 2018;9(1–36):85–108. https://doi.org/10.25209/2079-3316-2018-9-1-85-108Talalaev A.A., Frolenko V.P. Fault-tolerant system for organizing high-performance computing for solving data stream processing problems. Programmnye sistemy: Teoriya i prilozheniya = Program Systems: Theory and Applications. 2018;9(1–36):85–108 (in Russ.). https://doi.org/10.25209/2079-3316-2018-9-1-85-108Акимова Г.П., Соловьев А.В., Тарханов И.А. Моделирование надежности распределенных вычислительных систем. Информационные технологии и вычислительные системы (ИТиВС). 2019;3:70–86. https://doi.org/10.14357/20718632190307Akimova G.P., Solovyev A.V., Tarkhanov I.A. Modeling the reliability of distributed information systems. Informatsionnye tekhnologii i vychislitel’nye sistemy = Journal of Information Technologies and Computing Systems. 2019;3:70–86 (in Russ.). https://doi.org/10.14357/20718632190307Павский В.А., Павский К.В. Математическая модель для расчета показателей надежности масштабируемых вычислительных систем с учетом времени переключения. Известия ЮФУ. Технические науки. 2020;2(212):134–145. https://doi.org/10.18522/2311-3103-2020-2-134-145Pavsky V.A., Pavsky K.V. Mathematical Model for Calculating Reliability Indicators of Scalable Computer Systems Considering Switching Time. Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki = Izvestiya SFedU. Engineering Sciences. 2020;2(212): 134–145 (in Russ.). https://doi.org/10.18522/2311-3103-2020-2-134-145Waseem A., Wu Y.W. A survey on reliability in distributed systems. J. Comput. Syst. Sci. 2013;79(8):1243–1255. https://doi.org/10.1016/j.jcss.2013.02.006Waseem A., Wu Y.W. A survey on reliability in distributed systems. J. Comput. Syst. Sci. 2013;79(8):1243–1255. https://doi.org/10.1016/j.jcss.2013.02.006Иваничкина Л.В., Непорада А.Л. Модель надежности распределенной системы хранения данных в условиях явных и скрытых дисковых сбоев. Труды Института системного программирования РАН. 2015;27(6):253–274. https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2015-27(6)-16Ivanichkina L.V., Neporada A.L. The Reliability model of a distributed data storage in case of explicit and latent disk faults. Trudy Instituta sistemnogo programmirovaniya RAN = Proceedings of the Institute for System Programming of the RAS. 2015;27(6):253–274 (in Russ.). https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2015-27(6)-16Rothe S., Besser K.L., Krause D., Kuschmierz R., Koukourakis N., Jorswieck E., Czarske J.W. Securing Data in Multimode Fibers by Exploiting Mode-Dependent Light Propagation Effects. Research. 2023;6:Article 0065. https://doi.org/10.34133/research.0065Rothe S., Besser K.L., Krause D., Kuschmierz R., Koukourakis N., Jorswieck E., Czarske J.W. Securing Data in Multimode Fibers by Exploiting Mode-Dependent Light Propagation Effects. Research. 2023;6:Article 0065. https://doi.org/10.34133/research.0065Ferguson K., Kleinrock L. Optimal update timing of stale information metrics, including age of information. IEEE Journal on Selected Areas in Information Theory. 2023;4:734–746. https://doi.org/10.1109/JSAIT.2023.3344760Ferguson K., Kleinrock L. Optimal update timing of stale information metrics, including age of information. IEEE Journal on Selected Areas in Information Theory. 2023;4:734–746. https://doi.org/10.1109/JSAIT.2023.3344760He Z., Kleinrock L. Optimization of Assisted Search Over Server-Mediated Peer-to-peer Networks. In: 2022 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM 2022). IEEE. 2022. Р. 4928–4934. https://doi.org/10.1109/GLOBECOM48099.2022.10000846He Z., Kleinrock L. Optimization of Assisted Search Over Server-Mediated Peer-to-peer Networks. In: 2022 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM 2022). IEEE. 2022. Р. 4928–4934. https://doi.org/10.1109/GLOBECOM48099.2022.10000846Jain R. Error characteristics of fiber distributed data interface (FDDI). IEEE Trans. Commun. 1990;38(8):1244–1252. https://doi.org/10.1109/26.58757Jain R. Error characteristics of fiber distributed data interface (FDDI). IEEE Trans. Commun. 1990;38(8):1244–1252. https://doi.org/10.1109/26.58757Kleinrock L. Internet congestion control using power metric: Keep the just full, but no fuller. Ad Hoc Networks. 2018;80: 142–157. https://doi.org/10.1016/j.adhoc.2018.05.015Kleinrock L. Internet congestion control using power metric: Keep the just full, but no fuller. Ad Hoc Networks. 2018;80: 142–157. https://doi.org/10.1016/j.adhoc.2018.05.015

The authors declare that there are no conflicts of interest present.