Введение к работе
Актуальность работы. Активное развитие информационных технологий и расширение объемов информационных услуг основываются в значительной мере на научно-технологических разработках в области телекоммуникационных сетей. По данным последних исследований, приблизительная динамика роста Интернет-трафика за последние десять лет составляет 70-150% в год, т.е. в среднем каждый год количество информации, передаваемой через сеть, удваивается. Развитие телекоммуникационных сетей обусловливает необходимость исследований, разработок и внедрения новых технологий, анализа, оптимизации режимов их функционирования. Объем трафика в распределённой сети становится соизмеримым с объемом трафика всех других каналов обмена информацией и превращается в главный рыночный фактор, оказывающий определяющее влияние на экономическую эффективность телекоммуникационной отрасли. По мере того как трафик данных заполнял Интернет и внутрикорпоративные сети, стало очевидным, что фундаментом развития распределенных информационно-вычислительных сетей, безусловно, являются технологии, основанные на протоколе IP, который обеспечивает поддержку приложений для глобальных и внутрикорпоративных сетей, в том числе: интеграцию голоса, мультимедиа, новостных каналов и других данных.
Особую роль среди современных IP-технологий играет клиент-серверная архитектура (КСС) - неотъемлемая часть современных распределённых информационно-вычислительных систем. Она создала новые возможности для разработчиков аппаратных и программных средств. В основу технологии был положен принцип распределения - один из основных двигателей прогресса в информационной индустрии. Полное отделение реализации исполняемых функций от интерфейса для доступа к ним дало мощный толчок инновационной деятельности разработчиков программного обеспечения. Однако стремительное внедрение клиент-серверной архитектуры в различные отрасли человеческой деятельности породило ряд проблем, связанных, как правило, с перегрузкой серверов и, как следствие, выходом их из нормального режима функционирования. Для клиент-серверной технологии именно ситуации перегрузки серверов являются наиболее опасными, так как в этом случае не могут работать нормально и все клиенты. Все это требует проведения экспериментальных исследований свойств сети, причем не только в режиме оперативного мониторинга, но и для более глубокого изучения, в частности, с целью прогнозирования их поведения. С этим же связана и задача совершенствования соответствующего научно-методического и программного обеспечения анализа и моделирования трафика.
Адекватные модели трафика и методики, обеспечивающие получение оценок характеристик сетевых взаимодействий, играют важную роль в ускорении эволюции современных сетевых технологий. Теоретический и экспериментальный анализ сетевых процессов приобретает особое значение по сравнению с классическими математическими моделями прошлых лет.
В последние годы обострилась ещё одна проблема, связанная с развитием информационно-вычислительных сетей. Это проблема запрещённых воздействий (атак) на сеть. Проблема заключается в том, что, как правило, атаки и угрозы работоспособности сети не всегда заметны и в то же время являются весьма опасными, так как типичные сценарии атак на сеть далеко не всегда оказывают существенное видимое влияние на суммарную интенсивность трафика.
Работы по данной проблеме велись и ведутся весьма интенсивно как российскими, так и зарубежными учеными. В частности, общие вопросы моделирования сложных дискретных систем и процессов рассматривались В.В.Емельяновым и С.И.Ясиновским. Протоколы TCP/IP описаны А.Ф.Брежневым и Р.Л.Смелянским, язык GPSS World описан в руководстве Minuteman Software. Вопросы моделирования беспроводных сетей с децентрализованным управлением исследовались В.М.Вишневским, А.И.Ляховым, Б.Н.Терещенко. Сети массового обслуживания, теория и применение к сетям ЭВМ изучались в работах В.А.Жожикашвили и В.М.Вишневского. Оценке производительности распределенных систем посвящены работы Л.Б.Богуславского, А.И.Ляхова. Отдельные вопросы моделирования и исследования информационно-вычислительных систем архитектуры «Клиент-сервер» рассматривались в работах российских учёных Л.И.Абросимова, С.Г.Калашникова, Д.С.Репина, Со Мин Туна, Г.Ф.Филаретова, С.И.Долганюка, В.В.Крылова, Н.И.Федунец, Л.Д.Певзнера, В.М.Лохина, О.И.Шелухина, А.В.Осина, А.К.Скуратова, Н.А.Олифер, В.Г.Олифер, В.В.Куприянова и зарубежных ученых - М. Шварца, К. Парка, Дж. Медхи и др.
Тем не менее многие вопросы, связанные с IP-трафиком, либо исследованы недостаточно полно, либо ориентированы на решение относительно узких прикладных задач. В частности, отсутствуют комплексные методики организации и моделирования трафика, обобщающие накопленный к настоящему времени опыт их проведения. Достаточно ограничен перечень статистических методов, используемых при обработке данных, характеризующих интенсивность трафика. Почти не изучены вопросы оптимизации трафика в клиент-серверных сетях. Мало исследованы работы, связанные с защитой от спама. Все это свидетельствует о необходимости дальнейшего развития исследований по данной проблематике.
Целью работы является построение адекватной имитационной модели, анализ и оптимизация режимов функционирования клиент-серверной сети центра информационно-коммуникационных технологий Мьянмы на основе объективных критериев, корректно характеризующих топологию сети и особенности IP-трафика сетевых каналов передачи данных.
В соответствии с указанной целью в рамках диссертационной работы решались следующие задачи:
1. Анализ общей информации о Мьянмском Информационном и Коммуникационном Центре (МИКЦ), описание его функций и топологии информационно-вычислительной сети, анализ основных требований к функционированию информационно-вычислительных сетей (ИВС).
2. Анализ особенностей сетевого трафика, общая характеристика состояния проблемы исследования, систем и методов моделирования трафика в клиент-серверных сетях центра информационно-коммуникационных технологий Мьянмы.
3. Формирование критерия оптимизации структуры расположения сетевых ресурсов информационной сети МИКЦ и критерия оптимизации режима функционирования клиент-серверной сети с учётом естественных ограничений системы, таких как пропускная способность каналов, ограничения на распределение ресурсов, диктуемых структурой сети и мощностью оборудования.
4. Разработка метода и алгоритма оптимизации режима функциониро-вания клиент-серверной сети на основе имитационного моделирования по критерию максимальной суммарной прибыли с учётом реальных ограничений на производительности серверов и пропускные возможности каналов связи.
5. Методы и алгоритмы моделирования процесса функционирования системы «Спамооборона» в клиент-серверной сети для контроля прохождения электронных писем через систему, включающую сервер балансировки нагрузки, сервер проверки на наличие в «черных» списках адреса отправителя, сервер проверки массовости, сервер проверки содержимого.
В соответствии с целями и задачами диссертационной работы, объектом исследования является информационно-коммуникационная сеть МИКЦ, а предметом исследования - свойства данной сети.
Методы исследования. В работе использованы теоретические методы и средства системного анализа, элементы теории компьютерных сетей, методы математической статистики, имитационного моделирования и теории вероятностей.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Комплексная методика оптимизации структуры расположения сетевых ресурсов информационной сети, отличающаяся от существующих введением матриц, описывающих топологическую структуру сети, и естественных ограничений системы, таких как пропускная способность каналов, ограничения на распределение ресурсов, диктуемых структурой сети и мощностью оборудования.
2. Методы, алгоритмы и критерии оптимизации режима функциониро-вания клиент-серверной сети на основе имитационного моделирования по критерию максимальной суммарной прибыли с учётом реальных ограничений на производительность серверов и пропускные возможности каналов связи, отличающиеся тем, что впервые построена регрессионная зависимость критерия оптимизации от параметров сети технопарка.
3. Алгоритмы моделирования и анализа процесса функционирования системы «Спамооборона» в информационно-коммуникационной сети, позволяющие оценить эффективность работы инструментально-программного комплекса (ИПК) защиты от спама.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждаются: работами по экспериментальному исследованию и моделированию IP-трафика, показывающими адекватность предложенных моделей информационно-коммуникационных сетей технопарка Мьянмы с достаточной для реального использования точностью (критерий Фишера построенных регрессионных уравнений больше теоретического значения с уровнем значимости Рдов =0,95 или уровнем риска 5%).
Научная новизна работы:
1.Представление структуры сетевых ресурсов информационно-коммуникационной сети в виде совокупности матриц, включающих в себя характеристики Информационно-коммуникационных сетей (ИКС), ресурсы и ограничения на их расположение.
2. Математические модели и критерии оптимизации режима функционирования клиент-серверных сетей (КСС) на основе имитационного моделирования и регрессионной зависимости критерия оптимальности от параметров сети.
3. Методика моделирования процессов функционирования системы «Спамооборона» в клиент-серверной сети.
Научная значимость работы состоит в разработке научно обоснованной комплексной методики и алгоритмов оптимизации структуры и режимов функционирования информационно-коммуникационных сетей на основе методов и средств системного анализа.
Практическая значимость работы заключается в разработке инструментально-программных средств моделирования и оптимизации режимов функционирования клиент-серверных сетей с целью повышения их производительности.
Результаты, полученные в диссертации, используются на практике в центре информационно-коммуникационных технологий МИКЦ Мьянмы, компьютерных телекоммуникационных сетях Московского государственного горного университета (МГГУ), а также в учебном процессе кафедры АСУ МГГУ по дисциплине «Компьютерное моделирование» для магистров, обучающихся по направлению «Компьютерное моделирование».
Апробация диссертации. Основные результаты диссертации и ее отдельные положения докладывались на научных семинарах кафедры АСУ МГГУ и международных симпозиумах «Неделя горняка» (2009-2012 гг., Москва).
Публикации. По результатам исследований опубликованы 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 53 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 54 наименований и 3 приложений.
