Введение к работе
Актуальность проблемы
За последнее десятилетие отмечается интенсивное развитие вычислительных сетей (ВС) различных конфигураций, интегрированных в глобальную информационную сеть. Несмотря на широкое распространение ВС, очень часто сети проектируются и устанавливаются без привлечения соответствующих теоретических научных результатов, что приводит в итоге к частым выходам сетей из строя и их большим перегрузкам. Для малых сетей это не является критичным, в то время как для ВС крупных проектных организаций ошибки разработчиков непосредственно сказываются на эффективности эксплуатации сетей.
ВС предприятия представляет собой эволюционирующий объект, который за время эксплуатации переживает несколько модификаций. Условия модификации существенно отличаются от условий проектирования тем, что существующая ВС доступна для измерений. Результаты измерения параметров трафика и эксплуатационных параметров ВС могут быть использованы для прогнозирования параметров новой конфигурации ВС, создаваемой в процессе проектирования. При проектировании с нуля гипотетические параметры могут быть получены в результате вычислительного эксперимента в ходе имитации (моделирования) или в результате экстраполяции результатов какого-то «типового» варианта на рассматриваемый вариант сети.
Следовательно, автоматизированное проектирование (АП) ВС предполагает в качестве обязательной компоненты подсистему моделирования сети.
Математическая модель ВС описывает топологию узлов, каналов и коммуникационного оборудования.
Взаимодействие узлов на прикладном уровне описывается как взаимодействие производственных процессов. Однако современные средства АП ВС не решают задачу комплексно, в частности не включают специальные подсистемы математического моделирования трафика ВС.
Важная научно-техническая проблема АП ВС крупной проектной организации связана с отсутствием известного и развитого целостного теоретического похода к проектированию, интегрирующего собственно проектирование, моделирование и оптимизацию. Без комплексного подхода невозможно получить архитектуру САПР ВС, обеспечивающую высокое качество проектных решений за счет согласования в ходе проектирования транспортного и прикладного уровня описания сети.
Цель диссертационной работы
Целью диссертации является разработка нового теоретического подхода к автоматизированному проектированию ВС на основе интеграции процессов принятия проектных решений, моделирования и оптимизации в условиях нечетко заданного трафика и нечетких метрик маршрутизации, разработка на основе данного подхода нового структурно-функционального решения САПР ВС, позволяющего повысить качество автоматизированного проектирования в условиях неопределенности.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи исследования:
необходимо провести сравнительный анализ известных интеллектуальных методов оптимизации, существующих систем автоматизированного проектирования и моделирования ВС, в том числе языков имитационного моделирования;
необходимо построить математическую модель АП ВС, позволяющую использовать современные методы поиска проектных решений, в том числе генетическую оптимизацию; адаптировать генетические алгоритмы (ГА) к задаче оптимизации ресурсов в ВС;
необходимо разработать интеллектуальную систему АП ВС на основе моделирования рассуждений проектировщика ВС, исследовать применимость схемы рассуждений на основе распространенного метода байесовских сетей доверия (БСД);
необходимо разработать формализованную модель трафика ВС, позволяющую использовать как качественные оценки, так и результаты статистических измерений;
необходимо выработать ряд дополнений к известным языкам имитационного моделирования с целью их адаптации к задаче АП ВС, построить методику слияния двух видов описаний сети: прикладного описания и описания транспортной структуры сети;
необходимо разработать средства представления структуры ВС, позволяющие описывать структуру ВС с разной степенью требуемой точности, например, на основе нечетких гиперграфов; построить методику учета нечетких метрик; сформировать алгоритм маршрутизации с использованием нечетких гиперграфов и нечетких метрик;
необходимо разработать функциональные модели узлов на прикладном уровне: имитационные модели серверов и клиентов;
необходимо разработать алгоритм для решения задачи генерации транспортной схемы ВС, позволяющий успешно решить прикладные задачи в условиях неопределенности;
необходимо разработать и реализовать средства оптимизации ВС как программную систему и исследовать ее результативность на примере ВС конкретных проектных организаций.
Методы исследования
Современная теория неопределенности, неточности и нечеткости; теория нечетких систем; теория графов, теория имитационного моделирования, методы генетической и байесовской оптимизации
Результаты, выносимые на защиту
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Теоретический подход к построению САПР ВС, сочетающий проектные процедуры с моделированием трафика и оптимизацией проектируемой ВС.
-
Методы оптимизации проектных решений на основе генетических алгоритмов (ГА) и байесовских сетей доверия (БСД), позволяющие определить состав коммуникационного оборудования и пропускную способность каналов.
-
Язык дополненных потоковых диаграмм взаимодействия прикладных задач, позволяющий выполнить имитационное моделирование трафика ВС.
-
Математическая модель трафика корпоративной сети на основе нечеткой случайной величины, позволяющая оперировать прогнозными данными о трафике и вычислительной загрузке сети, использовать нечеткие метрики при маршрутизации.
-
Формализованные функциональные модели прикладных процессов: имитационные модели серверов и клиентов на основе сетей Петри.
-
Гибридный метод, объединяющий нечеткое моделирование и распознавание нечетких тенденций для временного ряда трафика ВС и позволяющий строить результативные модели серверов приложений и клиентов.
Научная значимость работы.
Автор защищает: разработанные модели автоматизации проектирования ВС; результаты теоретических, экспериментальных и практических разработок, внедрение в промышленную и опытно-промышленную эксплуатацию САПР ВС, в целом составляющие комплексный теоретический подход к построению САПР ВС.
Научная новизна. Впервые:
-
Адаптированы методы генетической оптимизации для всех основных этапов автоматизированного проектирования ВС.
Построена мера трафика как нечеткая случайная величина и разработана формализованная модель сети на основе теории нечетких гиперграфов, позволяющая на основе вероятностных нечетких величин оперировать прогнозными данными о трафике и вычислительной загрузке сети.
-
Разработаны методы поиска проектных решений на основе байесовской оптимизации.
-
Предложен язык модифицированных DFD-диаграмм (Data Flow Diagram), дополненных расписанием, для автоматизированного проектирования ВС.
-
Предложен метод моделирования протоколов маршрутизации с использованием нечетких метрик;
-
Разработаны формализованные функциональные модели узлов, как элементов прикладных процессов: имитационные модели серверов и клиентов на основе сетей Петри;
-
Разработан новый гибридный метод, объединяющий нечеткое моделирование и распознавание нечетких тенденций трафика и позволяющий строить имитационные модели сервера приложений и клиентов как системы нечетких правил.
-
Разработан алгоритм для решения задачи генерации транспортной схемы ВС, обеспечивающей успешное выполнение прикладных задач.
Практическая ценность и внедрение результатов
Созданная система автоматизированного проектирования вычислительных сетей используется на производстве и позволяет достичь улучшенных технико-экономических показателей объектов проектирования. Предлагаемый теоретический подход, методы и средства автоматизированного проектирования были успешно применены в проектных работах, выполняемых предприятием ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС» в интересах АСУ ВМФ РФ (Море-99, Мелодия, Запевала и др.). Созданная САПР ВС активно используется в производстве и позволяет эффективно перераспределять высокопроизводительный трафик путем применения предлагаемого подхода и автоматической оптимизации, а так же сокращать время, затрачиваемое на проектирование вычислительных сетей.
Практическая ценность состоит в том, что разработанные модели и алгоритмы реализованы в форме программной системы и внедрены в деятельность ФГУП НПО "Марс" (г. Ульяновск). Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими документами о внедрении.
Основания для выполнения работы
Данная научная работа выполнялась в рамках тематического плана научных исследований Федерального агентства по образованию в 2005, 2006, 2007, 2008 г., была поддержана грантами РФФИ № 06-01-02012 и 06-01014087 в 2006 г., № 08-01-97006 в 2008 г., ряд задач исследования решался в рамках х/д НИР № 100/05, выполняемого Ульяновским государственным техническим университетом по заказу ФНПЦ ОАО «НПО МАРС»
Достоверность результатов диссертационной работы.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами экспериментов, а так же результатами использования материалов диссертации и разработанной системы в проектной организации.
Апробация работы и публикации
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, 2005 г., 2006 г.), на Международной конференции “Интерактивные системы” (г. Ульяновск, 2005 г.), на Научных сессиях МИФИ (г. Москва, 2007 г., 2008 г.), на Международном научно-практическом семинаре "Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте". (г. Коломна, 2007 г.), на Международной научно-технической конференции “Интеллектуальные системы”, “Интеллектуальные САПР” (г. Дивноморское, 2006 г., 2007 г., 2008 г.), на Первой Всероссийской конференции «Нечеткие системы и мягкие вычисления » (г. Тверь 2006 г.), на Второй Всероссийской конференции «Нечеткие системы и мягкие вычисления » (г. Ульяновск, 2008 г.), на Национальных конференциях с международным участием по искусственному интеллекту (г. Обнинск 2006 г., г. Дубна 2008 г.), на Всемирном конгрессе IFSA’07 (Мексика, г. Канкун, 2007 г.), на 34-ом международном салоне изобретений, новой техники и товаров "Женева-2006" (г. Женева, Швейцария, 2006 г.).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. В диссертации приведены 96 рисунков, 23 таблицы и 7 приложений.
