Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов и средств автоматизированного проектирования вычислительных сетей 15
1.1. Классификация сетей 15
1.2. Определение и свойства корпоративных сетей 17
1.3. Определение и принципы маршрутизации 18
1.3.1. Компоненты маршрутизации 18
1.3.2. Методы и функции маршрутизации 18
1.4. Определение и характеристики алгоритмов маршрутизации 22
1.5. Классификация алгоритмов маршрутизации 24
1.6. Показатели алгоритмов маршрутизации (метрики) 29
1.7. Цели разработки алгоритмов маршрутизации 31
1.8. Эффективность алгоритмов маршрутизации в КС 32
1.9. Обзор существующих систем моделирования и проектирования КС 34
1.10. Выводы 38
Глава 2. Модель маршрутизации в корпоративных сетях 40
2.1. Графовое представление модели КС , 40
2.2. Гиперграфовое представление модели КС ,.44
2.3. Нечеткие множества 46
2.4. Нечеткие графы 48
2.4.1. Определение нечетких графов 48
2.4.1. Операции над нечеткими графами 51
2.5. Нечеткие гиперграфы 53
2.5.1. Определение нечеткого гиперграфа 54
2.5.2. Операции над нечеткими гиперграфами 56
2.5.3. Выводы 57
2.6. Алгоритмы поиска кратчайших путей в графах 58
2.6.1. Алгоритм Беллмана-Форда..,, 59
2.6.2. Алгоритм Дейкстры 59
2.6.3. Волновой алгоритм 61
2.6.4. Алгоритм Флойда 62
2.6.5. Алгоритм Йена 63
2.6.6. Алгоритм Крускал а 64
2.6.7. Выводы 65
2.7. Описание и формирование нечетких метрик 65
2.8. Формализованное описание трафика КС 70
2.9. Алгоритм поиска пути по нечеткому гиперграфу с использованием нечетких метрик 71
2.9.1. Нечеткий алгоритм 75
2.10. Выводы 80
Глава 3. Структурно функциональное решение автоматизации проектирования КС 82
3.1. Выбор инструментальных средств и технологий 82
3.2. Этапы проектирования 83
3.3. Описание Объектов КС ; 84
3.2, Общая структура САПР КС 85
3.2.1, Описание блоков и модулей САПР КС 86
3.2.1. Взаимодействие блоков САПР КС 87
3.3. Описание классов 88
3.4. Описание потоков данных 107
3.5. Формирование маршрутных таблиц 109
3.6. Интерфейс, алгоритм САПР КС 112
3.7. Выводы 121
Глава 4. Реализация и внедрение САПР КС 123
4.1. Реализация вычислительных экспериментов на базе ГУ ЦБ РФ по Ульяновской области 123
4.1.1. Общее описание 123
4.1.2. Структурное описание КС 124
4.1.3. Описание процессов КС 126
4.1.4. Определение трафика оптимизации 128
4.1.5. Проектирование маршрутизации 130
4.1.6. Вычислительные эксперименты 133
4.1.7. Результаты вычислительных экспериментов 135
4.1.8. Преимущества автоматизированного проектирования КС 148
4.2. Выводы 150
Заключение 151
Библиографический список 154
Приложение 1. Акт внедрения научно-исследовательских результатов ГУ ЦБ РФ 165
Приложение 2. Акт внедрения научно-исследовательских результатов АНО "Центр сетевых технологий" г. Москва 166
Приложение 3. Акт передачи данных и материалов в ведущую организацию ФШЩ ОАО НПО "МАРС" 167
Приложение 4. Свидетельство о регистрации программы в федеральной службе по интеллектуальной собственности и патентам РФ 168
Приложение 5. Диплом о присуждении бронзовой медали Международного салона изобретений «Женева - 2006» 169
Приложение 6. Текстовое описания проекта сети ГУ ЦБ РФ 170
Приложение 7. Исходный текст процедур моделирования 210
Приложение 8. Результаты замера траффика 262
- Классификация сетей
- Графовое представление модели КС
- Выбор инструментальных средств и технологий
- Реализация вычислительных экспериментов на базе ГУ ЦБ РФ по Ульяновской области
Введение к работе
В настоящее время наличие корпоративной сети (КС) в учебной организации, правительственных органах, военных организациях, деловом предприятии является неотъемлемой частью их инфраструктуры. За последнее десятилетие отмечается интенсивное развитие распределенных КС различной конфигурации на базе Интернет-технологий с последующей их интеграцией в глобальную информационную сеть.
Проектирование и обслуживание КС является сложным поэтапным многоуровневым процессом. Основная задача - построение оптимальной системы, которая максимально использует свои ресурсы и технические возможности.
В этой области накоплен очень большой опыт, однако зачастую практике сети проектируются и устанавливаются без привлечения научных методов в этой области, что приводит в итоге к частым перегрузкам сетей или блокировки их работы. Для малых локальных сетей это не является критичным, в то время как для корпоративных и тем более распределенных сетей ошибки проектировщиков непосредственно сказываются на эффективности их работы.
Актуальность проблемы
На сегодняшний день при существующих темпах развития обмена информацией КС загружаются до предела, это может привести их к "коллапсу" и следовательно к непредсказуемой остановке бизнес-процессов в организации. Причина кроется в том, что КС и используемые в них сервисы развиваются значительно быстрее, чем базовые технологии передачи данных и происходит модернизация используемого сетевого оборудования. Современные бизнес-процессы предполагают создание интерактивных автоматизированных рабочих мест, потребляющих большие объемы часто меняющейся информацией, с последующем увеличением трафика в сети.
Чтобы оценить эффективность использования систем с распределенной обработкой различной информации в КС необходимо учитывать качественные оценки характеристик этих сетей. Отсутствие в алгоритмах маршрутизации учета дополнительных факторов сети, которых с каждым днем становится все больше и больше, указывает на необходимость улучшения или дополнения протоколов маршрутизации путем анализа и оценок дополнительных характеристик сетей.
Разработчики сетевого программного обеспечения и администраторы сетей привязываются к требованиям бизнесс-процессов, не учитывая при этом, что КС развиваются стихийно и широкомасштабно. При проектировании КС необходимо учитывать временные перегрузки, периодичность изменения параметров сетевых устройств и каналов связи, информацию о протоколах маршрутизации, характере трафика, также
правила временной потребности трафика, вероятностные
метеорологические условия, нестандартные ситуации.
Следовательно, необходимо вводить в систему проектирования КС описание характеристик, которые влияют на прохождения пакетов в сети, что позволит даже на основании прогнозных данных вырабатывать оптимальные решения.
Перечисленные аспекты проблемы проектирования КС делают тему диссертационной работы актуальной.
Цель диссертационной работы
Целью диссертации является исследование применимости теории нечетких гиперграфов к задачам автоматизированного проектирования КС, разработка методов, моделей и алгоритмов, позволяющих повысить качество автоматизированного проектирования в условиях неопределенности, построение программной системы моделирования маршрутизации и разработки проектных решений КС с использованием нечетких метрик, позволяющей эффективно оптимизировать загрузку существующих КС.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
Провести сравнительный анализ существующих систем моделирования методов маршрутизации КС;
Разработать средства представления структуры КС на основе нечетких гип ер графов;
Построить методику учета нечетких метрик;
Разработать модель трафика КС;
Сформировать алгоритм маршрутизации с использованием нечетких гиперграфов и нечетких метрик;
Разработать и реализовать программу автоматизированного проектирования КС на основе предварительного моделирования маршрутизации.
Методы исследования
Современная теория неопределенности, неточности и нечеткости; теория вероятностей; теория графов, теория имитационного моделирования.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Впервые построена модель КС на основе нечетких гиперграфов;
Предложена методика расширения протоколов маршрутизации, отличающаяся от известных использованием нечетких метрик характеристик элементов сети;
Разработан новый алгоритм моделирования роутинга для КС с использованием нечетких прогнозных данных о трафике и вычислительной загрузке сети;
4. Сформулирована новая методика использования результатов моделирования маршрутизации при автоматизированном проектировании вычислительной сети.
Достоверность результатов диссертационной работы.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами экспериментов, а также результатами использования материалов диссертации и разработанной системы в проектной организации.
Основные положения, выносимые на защиту
Модель КС, построенная на основе теории нечетких гиперграфов, которая позволяет оперировать прогнозными данными о трафике и вычислительной загрузке сети;
Методика расширения протоколов маршрутизации, использующая нечеткие метрики характеристик элементов сети, которая эффективно управляет трафиком в КС;
Алгоритм поиска пути с использованием нечетких метрик, применимый для маршрутизации КС;
Методика использования результатов САПР КС на основе нечетких гиперграфов, позволяющая эффективно оптимизировать загрузку существующих КС.
Практическая значимость работы
Созданная система автоматизированного проектирования КС используется в производстве и позволяет эффективно перераспределять высокоприоритетный трафик путем применения предлагаемых методик и автоматической оптимизации, а так же сократить время, затрачиваемое на проектирование КС.
Реализация результатов работы
Результаты диссертации и практические рекомендации использованы при переконфигурации маршрутизаторов сегментов КС ГУ ЦБ РФ по Ульяновской области (г. Ульяновск 2005 г.), при проведении процессов проектирования сетей и обучения сетевым технологиям в АЛО "Образовательный Центр Сетевых Технологий Диамонда" (г. Москва 2006 г.), в Федеральном научно производственном центре ОАО НПО "МАРС" ( г. Ульяновск 2006 г.).
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на международной конференции "Континуальные логико-алгебраические и нейросетевые методы в науке, технике и экономике" (г. Ульяновск, УлГТУ, 2000 г.), 4-й международной конференции "Интерактивные системы" (г. Ульяновск, УлГТУ, 2001 г.),
научно-технической конференции УлГТУ. "Вузовская наука в современных условиях" (г. Ульяновск, УлГТУ, 2001, 2003, 2005, 2006 г.г.), научных сессиях МИФИ (г. Москва, МИФИ 2002, 2003 г.г.), на 2-ом Международном научно-практическом семинаре "Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте", (г. Коломна, РАИИ ,РАНС 2003 г.), международной научно-технической конференции IEEE AIS'04, CAD-2004 "Интеллектуальные системы", "Интеллектуальные САПР" (г. Двиноморское 2004 г.), 34-ом международном салоне изобретений, новой техники и товаров "Женева-2006" (г. Женева, Швейцария, 2006 г.).
Публикация результатов работы.
По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Личный вклад.
Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 267 страниц машинописного текста, 35 таблиц, 36 рисунков, список литературы из 137 наименования и 8 приложений.
Классификация сетей
В классификации сетей [Кульгин, 1999] существует три основных термина: LAN, MAN и WAN. LAN - локальная сеть, имеющая замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков сетевых услуг, обеспечивает наивысшую скорость обмена информацией между компьютерами. Основное назначение локальной сети состоит в объединении пользователей для совместной работы. Протяженность локальных сетей составляет около одного километра. Типичная локальная сеть организуются внутри здания, этажа или комнаты.
WAN - глобальная сеть, покрывающая большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Глобальные сети организовывают взаимодействие между абонентами на больших расстояниях. Эти сети работают на низких скоростях и могут вносить значительные задержки в передачу информации. Протяженность глобальных сетей может составлять тысячи километров. - MAN - это общегородская сеть среднего масштаба, занимающая промежуточное положение между локальными и глобальными сетями. Общегородские сети позволяют взаимодействовать на территориях меньших размеров и работают на скоростях от средних до высоких. Они меньше замедляют передачу данных, чем глобальные, но не могут обеспечить взаимодействие на больших расстояниях. Протяженность городских сетей находится в пределах от десятков до сотен километров. Для каждой категории сетей существуют свои технологические решения (Таблица 1.1.).
Графовое представление модели КС
Используемая для представления КС теория графов является областью дискретной математики, особенностью которой является геометрический подход к изучению объектов.
Графом называется совокупность конечного числа точек, называемых вершинами графа и попарно соединяющих некоторые из этих вершин линиями называемых ребрами или дугами графа [Бурков В.Н., Заложнев А.Ю., Новиков ДА., 2001].
Другими словами, графом G называется непустое множество точек (вершин V) и отрезков (ребер Е), оба конца которых принадлежат заданному множеству точек.
Очевидно, что любую сеть можно изобразить в виде простого графа. Вершины графа можно ассоциировать с узлами сети, ребра графа - с каналами. (Рисунок 2.1.).
- V множество вершин {Уi, V2, Уз, V4) является множеством узлов корпоративной сети,
- Е множество ребер {(У/, У2), (V2, Vi),(Vi, Уз),(Уз, Vi), (Уз, У4), (VA, УЗ), (V4, Уз), (Уз, V4)} является множество каналов.
Рис. 2.2. Представление элемента КС с помощью графа
Две вершины, соединенные ребром, могут совпадать. Такое ребро называется петлей, граф будет называться псевдографом. КС в которой существуют неопределенные подсети можно представить псевдографом (Рисунок 2.3). Компьютер Рис. 2.3. Представление КС псевдографом
Матрица инцидентности псевдографа (Таблица 2.1) запишется следующим образом.
Таб 2.1. Матрица инцидентности псевдографа
RG = E, El Ез E4 E5 VI 1 0 0 0 Vi 1 1 0 1 Vi 0 1 1 0 V4 0 0 1 1 1
Число ребер, инцидентных вершине, называется степенью вершины. Если два ребра инцидентны одной и той же паре вершин, они называются кратными [Зыков А.А., 1984]. Граф, содержащий кратные ребра, называется мультиграфом. КС, в которой существует несколько каналов связи между двумя и больше маршрутизаторами, Можно представить как мультиграф. (Рисунок 2.4).
Выбор инструментальных средств и технологий
В настоящее время существуют множество системы написания программных средств, позволяющих создавать как простые, так и сложные системы. Для реализации САПР КС была выбрана система объектно-ориентированного программирования Delphi 5,0. Эта система обладает достаточным набором интерфейсных и иных объектов и классов для создания сложных программных продуктов.
Выбор объектно-ориентированной системы обусловлен тем, что иерархия данных САПР КС построена в объектно-ориентированной концепции. Такое построение связано с наличием в системе большого количества разнообразных классов и структур со своими свойствами и функциями.
Графический интерфейс САПР КС полностью построен за счет стандартных компонентов Delphi. Базовый язык в Delphi - Pascal является удобным и понятным для программиста. Кроме того, интерфейс системы позволяет гибко манипулировать как интерфейсными частями создаваемого продукта, так и обрабатывать программный код. Система ориентирована на использование в операционной системе MS Windows, которая является самой распространенной операционной системой, устанавливаемой на рабочих станциях. Интерфейс САПР КС использует основные компоненты интерфейса операционной системы MS Windows..
Реализация вычислительных экспериментов на базе ГУ ЦБ РФ по Ульяновской области
Руководствуясь п.п. 1.11 положения "Требования по обеспечению информационной безопасности электронных технологий обработки, хранения и передачи информации, содержащей сведения ограниченного распространения о системе Банка России" N 130-П от 24.11.02 г. и п.п. 1.2 и 1.3 приложения N 2 "Перечень сведений ограниченного распространения о системе Банка России" к приказу Банка России N ОД-645 от 25.11.02 г. исходные данные, использованные при внедрении САПР КС в ГУ ЦБ РФ по Ульяновской области, изменены или отсуствуют.
Публикация 4 главы данной диссертации согласована с руководством управления информатизации и управления безопасности и защиты информации ГУ ЦБ РФ по Ульяновской области.
