Введение к работе
Актуальность темы. Темпы развития современного общества во многом зависят от достигнутого им уровня информатизации. Именно поэтому в настоящее время большое внимание уделяется решению как научных, так и практических проблем при создании крупномасштабных информационных систем, в частности,общегосударственных и региональных информационно-телекоммуникационных систем (ИТС) и средств их автоматизированного проектирования.
В настоящее время региональные ИТС базируются в основном на аналоговых и цифровых сетях общего пользования, т.е. используют разноскоро-стные линии связи. При этом телефонная сеть общего пользования имеет иерархическую структуру, сочетает как цифровые, так и аналоговые системы. В то же время новые технологии передачи данных в широкомасштабных и глобальных сетях базируются на цифровых и широкополосных системах телекоммуникаций и связи, основанных на внедрении нового поколения систем передачи данных, работающих по оптоволоконным линиям, оборудования синхронных цифровых иерархий SDH, обеспечивающего передачу интегрированной информации.
Стремление к повышению быстродействия компьютерных сетей, базирующихся на телефонных сетях общего пользования, объясняется вполне конкретными требованиями пользователей. Разукрупнение вычислительных систем, переход от текстового к графическому интерфейсу в прикладных программах доступа к базам данных, необходимость передачи интегрированной информации (данные, голос, видео) предъявляет жесткие требования к пропускной способности сети и времени реакции на запросы, необходимости тщательного анализа и оптимизации топологии ИТС, моделирования загруженности сегментов сети и запросов пользователей.
Переход от низкоскоростной технологии передачи данных на основе протоколов Х.25 / Х.28 для обеспечения on-line и off-line доступов к информационным ресурсам, к сетевым технологиям ISDN, Frame Relay и ATM делает вопросы автоматизации проектирования региональных ИТС наиболее актуальными, особенно в части системного проектирования так называемого транспортного уровня таких систем.
Обычно процесс проектирования сети передачи данных состоит из многих последовательных этапов, наиболее важными из которых является прогнозирование объема трафика сегментов сети, определение возможной
структуры сети (мупьтиплексоры, телефонные станции, концентраторы и т.д.), "7 географическая трассировка сети каналов связи, обеспечивающая минимальную стоимость. Для автоматизации проектирования этих этапов необходимо разработать модели и алгоритмы анализа и оптимизации, провести имитационный эксперимент по моделированию узлов сети передачи данных ИТС, построить прогностические модели объема трафика на основе анализа количественных оценок общности информационных запросов пользователей.
Таким образом, актуальность темы исследования продиктована необходимостью создания комплекса математических, программных и организационных средств для автоматизации проектирования сетей передачи данных современных информационно-телекоммуникационных систем регионального уровня, обеспечивающих выбор оптимальных или хотя бы рациональных вариантов, структуры w параметров этих ИТС, функционирующих в условиях ограниченных ресурсов.
Целью работы является разработка моделей и алгоритмов для автоматизации проектирования структуры и топологии сетей передачи данных информационно-телекоммуникационных систем и создание на их основе программного комплекса САПР для проектирования региональных ИТС.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
провести системный анализ процесса проектирования структуры и элементов распределенных региональных ИТС с позиций формализации основных этапов, выбора базовых математических методов, анализа и оптимизации;
осуществить структурный синтез в рамках САПР оптимальной информационной сети передачи интегрированных данных на базе современных технологий ISDN, Frame Relay и ATM;
разработать методику модели прогнозирования объема трафика и количества элементов ИТС на основе количественных оценок степени общности информационных элементов множеств предметных областей пользователей, определяемых на основе теории автоматической классификации и матричных моделей;
оптимизировать топологию распределенной цифровой сети передачи данных ИТС по критерию минимальной стоимости на основе адаптации и модификации алгоритмов волнового типа для синтеза структур древовидного типа;
разработать программные средства САПР для моделирования и оптимизации структуры и топологии интегрированных сетей передачи данных крупномасштабных ИТС.
Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории автоматизации проектирования, имитационного моделирования, теории автоматической классификации, теории вероятностей, математического программирования, теории массового обслуживания.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
-
Формализованное описание основных этапов процесса проектирования интегрированных сетей передачи данных крупномасштабных ИТС: оценки трафика, синтеза и анализа структуры сети и синтеза топологии минимальной стоимости, отличающееся использованием прогностических и оптимизационных моделей и алгоритмов,
-
Модели и алгоритмы синтеза структуры сети передачи данных, отличающиеся использованием количественных оценок степени общности информационных элементов пользователей ИТС и позволяющие определить оптимальное количество и размещение узлов и элементов ИТС в процессе автоматизированного проектирования.
-
Алгоритмы оценки объема трафика в сети передачи данных крупномасштабных ИТС, отличающиеся сочетанием использования имитационного моделирования и теории очередей, и позволяющие оптимизировать структуру сети в зависимости от количества пользователей.
-
Модели и алгоритмы оптимизации топологии интегрированной сети передачи данных современных ИТС, отличающиеся параметризацией способа определения весов в алгоритмах и позволяющие синтезировать с использованием САПР одно- и двухуровневую древовидную структуру сети минимальной стоимости.
5. Комплекс программных и организационных средств для автоматизации проектирования сетей передачи данных крупномасштабных ИТС на основе известных и разработанных пакетов программ моделирования и оптимизации, обеспечивающий автоматизацию этапа системного проектирования транспортного уровня ИТС.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
В рамках нового подхода к формализации основных этапов процесса автоматизированного проектирования интегрированных сетей передачи данных крупномасштабных ИТС осуществлена алгоритмизация процедур анализа и синтеза структуры ИТС древовидного типа.
Создано методическое обеспечение САПР для оценки объема трафика в крупномасштабных сетях передачи данных при использовании современных средств коммутации данных Х.25, Frame Relay и ATM.
Разработана методика имитационного эксперимента для оценки объема трафика и загруженности узла ИТС с использованием пакета программ в среде GPSS/PC.
Разработаны и программно реализованы новые алгоритмы синтеза древовидной топологической структуры сети передачи данных ИТС с ограничениями типа минимальной стоимости, в том числе и с концентраторами данных.
Реализация и внедрение работы.
Результаты диссертационной работы используются в проектной деятельности ведущих информационных компаний региона "Информсвязь-Черноземье", "Аргонавт-Черноземье", а также в производственной деятельности головной организации связи Воронежской области ОАО "Воронежсвязь-информ", осуществляющей проектирование и эксплуатацию линий связи общего пользования в области, используются в учебном процессе Воронежского государственного технического университета. Программно-методический комплекс автоматизации системного проектирования сетей передачи интегрированных данных крупномасштабных ИТС был использован при создании проекта региональной информационно-телекоммуникационной системы (РИТКС) Воронежской области, что подтверждено соответствующим актом внедрения.
При проектировании информационной сети связи территорий Воронежской области в задачах создания крупномасштабной ИТС с интеграцией услуг типа ISDN получены лучшие результаты по сравнению с существующими методами в среднем на 3,5% в стоимостном выражении.
Годовой условный экономический эффект от внедрения результатов диссертации составил 562,3 мпн рублей в ценах 19Э6 года.
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине", Воронеж, 1995; Всероссийской научно-технической конференции
"Перспективные информационные технологии в высшей школе", Тамбов,
1995; III научно-практическом семинаре Роскоминформа РФ "Методология и
практика информатизации управления территорией", С.Петербург, 1996; Все
российской научно-методической конференции "Телематика-96",
С.Петербург, 1996; Всероссийском совещании-семинаре "Математическое
обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медици
не", Воронеж, 1996, а также на научных семинарах Воронежского государст
венного технического университета и АО "Воронежсвязьинформ".
Публикации. Основные результаты диссертации нашли свое отражение в 10 опубликованных работах.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня библиографических источников и приложений. Она изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 18 рисунков, 8 таблиц. Библиографический список содержит 119 наименований на 12 страницах. Приложения на 24 страницах.
