Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию алгоритмов и архитектур систем управления адресацией в компьютерных сетях. Разработана архитектура системы имен на основе децентрализованных структур данных, основанных на свойствах графов «тесного мира». Разработана модель сервисной сети, позволяющая оценивать влияние способов организации распределенных систем на их характеристики. Показано, что применение существующих подходов к управлению адресацией, не является оптимальным с точки зрения параметров качества обслуживания. Изучены свойства структур данных, на основе графов «тесного мира». Исследованы свойства алгоритмов формирования таких структур на основе вычисления метрик разности между элементами данных, хранимыми в вершинах такой сети. Методы и алгоритмы, предложенные в данной работе, могут быть использованы при организации распределенных, децентрализованных систем разрешения имен в компьютерных сетях.
Актуальность работы. Любое устройство, подключенное к сети Интернет, идентифицируется уникальным сетевым адресом, представляющим собой 32 или 128-битное двоичное число, традиционно записываемое в виде последовательности десятичных или шестнадцатеричных чисел для различных версий сетевого адреса соответственно. Несмотря на то, что маршрутизация данных в Интернете осуществляется на основе сетевых адресов устройств, для человека гораздо легче запомнить буквенное, часто осмысленное имя, чем набор цифр сетевого адреса. Доменные имена играют важную роль в функционировании современного Интернета, так как поиск любого сетевого устройства, подключенного к сети Интернет, обычного начинается с его имени. При этом сами доменные имена хранятся в распределенной базе данных, называемой DNS (Domain Name System — система доменных имён). Таким образом, можно сказать, что система доменных имён участвует в управлении адресацией сетевых устройств и маршрутизации сетевого трафика.
Непрекращающийся рост числа сетевых устройств и постоянно повышающаяся нагрузка выявили неадекватность методов управления адресацией, основанных на иерархических структурах, применительно к большим компьютерным сетям, в частности, к Интернету. Для решения проблем масштабируемости таких систем необходима разработка архитектур систем управления адресацией, в частности, систем преобразования имён, основанных на неиерархических, децентрализованных архитектурах.
Разработка подобной архитектуры является целью настоящей работы, что обуславливает её актуальность.
Объектом исследования в данной диссертационной работе являются большие компьютерные сети и, в частности, сеть Интернет, как самая большая из компьютерных сетей.
Предметом исследования в настоящей диссертационной работе выступают алгоритмы управления адресацией в компьютерных сетях. Под адресацией понимается процесс получения доступа к устройству в выбранной сети. Управление адресацией это процесс, ставящий в соответствие одну систему адресов (т.е. идентификаторов сетевых устройств) другой системе адресов.
Целью диссертационной работы является анализ и разработка алгоритмов управления адресацией в компьютерных сетях с целью определения (и оптимизации) параметров качества обслуживания и обеспечения безопасности.
Задачи работы. Для достижения поставленной цели в ходе выполнения диссертационной работы решались следующие основные задачи:
1. Исследование и анализ существующих иерархических и
неиерархических архитектур систем разрешения имён.
Исследование и разработка алгоритмов управления адресацией в сложных неиерархических сетях, обладающих свойствами «тесного мира».
Разработка теоретической модели относительно задачи построения децентрализованной системы преобразования имён. Теоретическое исследование свойств такой системы на основе построенной модели.
Разработка прототипа системы, основанной на разрабатываемой архитектуре, экспериментальная оценка её характеристик путем компьютерного моделирования.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы теории графов, теории множеств и методы оптимизации. Для экспериментального подтверждения выдвинутых гипотез было создана программная реализация разработанных алгоритмов на языке Java.
Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Разработана децентрализованная, распределенная архитектура систем преобразования имён. Разработанная архитектура основана на использования неиерархических структур данных - графов «тесного мира», в отличие от широко используемых сегодня иерархических структур типа «дерево» и структур типа «распределённая хеш-таблица». Разработанная
архитектура может применяться для создания высокомасштабируемых решений в области распределенных информационных систем.
Разработана математическая модель, позволяющая аналитически исследовать характеристики доступности распределенных сервисных сетей. Получены соотношения, показывающие сравнение иерархических топологий, таких как «звезда», «дерево» и «кольцо» и гетерархических структур, таких как сети «тесного мира» на основе стоимостных критериев. Проведено теоретическое исследование доступности распределенных систем, построенных на основе разработанной архитектуры.
Экспериментально подтверждена логарифмическая зависимость среднего времени исполнения выбранных алгоритмов поиска и добавления элементов графа «тесного мира», что подтверждает адекватность использования таких структур в архитектуре систем имен, предназначенных для больших компьютерных сетей.
Теоретическая значимость работы заключается в исследовании сложных математических графов, обладающих свойствами «тесного мира», разработке алгоритмов эволюции и поиска на таких графах.
Практическая ценность представленной работы заключается в создании высокомасштабируемых решений для создания эффективных (с точки зрения параметров качества обслуживания) систем управления адресацией устройств в компьютерных сетях на основе разработанной архитектуры.
Полученные в работе результаты позволяют оценивать выбранный метод формирования графов «тесного мира», характеризующийся уникальной комбинацией алгоритма добавления и алгоритмов вычисления метрического расстояния между элементами данных, хранимыми в вершинах графа. Полученные результаты позволят сравнить разработанный алгоритм с другими алгоритмами и методами формирования графов «тесного мира».
Результаты работы легли в основу вклада «Гетерархическая архитектура безопасности для распределенных сервисных сетей», направленного в Международный союз электросвязи (МСЭ-Т) от лица Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации. В августе 2011 года вклад получил номер TD2026 на встрече Исследовательской Комиссии 17 МСЭ-Т.
Результаты внедрения. Полученные в диссертации результаты, в частности, модель децентрализованной системы преобразования имён, основанной на использовании свойств математических графов «тесного мира», применяются в исследовательской компании, ООО «МераЛабс», в
рамках проекта «Cognitive Internet», посвященного проектированию архитектур компьютерных сетей.
Кроме того, полученные в ходе работы результаты были внедрены в учебный процесс НГТУ им. Р.Е. Алексеева по дисциплине «Основы построения телекоммуникационных систем и сетей» в виде курса лекций.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3-х международных научно-технических конференциях «Информационные системы и технологии» (Нижний Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009-2011 гг.), на международной конференции «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2011) и на научной конференции «Сессия молодых ученых» (Нижний Новгород, 2009).
Материалы диссертационной работы были использованы автором в докладе на встрече Исследовательской комиссии 17 Международного союза электросвязи, проходившей с 24.08.2011 по 02.09.2011.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 работах [1-Ю], в том числе 2-х статьях, одна из которых - публикация в ведущем рецензируемом журнале: «Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского» [1]. Полный список публикаций автора приведен в списке литературы.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Алгоритмы формирования и поиска данных на графах «тесного
мира», примененные к задачам построения систем имён.
2. Математическая модель системы разрешения имён, основанная на
использовании графов «тесного мира».
3. Математическая модель оценки уровня доступности информации в
распределенных сервисных сетях.
Личный вклад. Разработка и исследование математической модели неиерархической архитектуры системы разрешения имён, проведённое экспериментальное исследование, а также все основные научные результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично.
Структура и объем работы
Похожие диссертации на Анализ и разработка алгоритмов управления адресацией в больших сетях
