Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ предметной области и постановка задач исследований 8
1.1. Развитие локальных вычислительных сетей, их особенности и функционирование 8
1.2. Анализ основных характеристик ЛВС и средств выбора ее структуры. 15
1.3. Использование аналитического и имитационного моделирования для оценки эффективности функционирования ЛВС. Системы моделирования компьютерных сетей 19
1.4. Стратегические проблемы построения транспортной системы корпоративной сети 24
1.5. Анализ технологии Fast Ethernet 39
2. Разработка аналитических и имитационных моделей ЛВС с методами доступа TOKEN-RING, TOKEN-BUS и CSMA/CD 48
2.1. Обобщённая модель архитектуры ЛС и основные предположения для синтеза имитационных и аналитических моделей 48
2.2. Разработка аналитической модели КС с методом доступа Token Ring50
2.3. Разработка аналитической модели ЛВС с методом доступа Token- bus 62
2.4. Разработка аналитической модели КС с методом доступа CSMA/CD .66
2.5. Локальные сети на основе коммутаторов 79
2.6. Выводы по главе 2 84
3. Функциональное проектирование и разработка гибридной экспертной системы синтеза корпоративных и локальных информационно -вычислительных сетей 85
3.1. Структура, принципы организации и способы реализации экспертных систем 85
3.2. Представление знаний в экспертных системах 92
3.3. Технология разработки экспертных систем v 93
3.4. Обоснование функциональной структуры гибридной экспертной системы синтеза ЛВС 111
3.5. Разработка машины вывода ЭС-ЛВС и организация интерфейсного компонента 120
4. Реализация экспертной системы выбора структуры локальных вычислительных сетей 127
4.1. Анализ альтернативных факторов, влияющих на выбор структуры ЛВС и заполнение БЗ системы- 127
4.2. Особенности программной реализации экспертной системы выбора структуры ЛВС 136
4.3. Реализация подсистемы анализа вероятностно-временных характеристик ЛВС 146
4.4. Пример использования ЭС выбора структуры ЛВС для решения практической задачи 151
5. Особенности управления потоками в сетях с виртуальным соединением 160
5.1. Виртуальное соединение и датаграммы 160
5. 2. Модель сети, основные наблюдаемые характеристики 164
5.3. Примеры моделирования сетей, использующих методы датаграмм и виртуального соединения 168
Заключение 176
Литература 177
- Использование аналитического и имитационного моделирования для оценки эффективности функционирования ЛВС. Системы моделирования компьютерных сетей
- Разработка аналитической модели КС с методом доступа CSMA/CD
- Обоснование функциональной структуры гибридной экспертной системы синтеза ЛВС
- Пример использования ЭС выбора структуры ЛВС для решения практической задачи
Введение к работе
В настоящее время одним из перспективных направлений развития средств обмена информацией является создание локальных компьютерных сетей (КС). Наличие большого трафика местного назначения на предприятиях и в учреждениях явилось одной из причин их интенсивной разработки. Объединение автоматизированных рабочих мест с помощью недорогостоящих средств передачи данных позволяет резко повысить эффективность их использования, а сравнительно низкая стоимость КС, сочетающаяся с высокой гибкостью и простой эксплуатации, обусловили их широкое распространение.
Разработка локальной сети является многокритериальной задачей, поскольку КС представляет собой сложную систему передачи информации, обладающую рядом взаимосвязанных характеристик, которые необходимо учитывать при её проектировании. При создании КС одной из самых сложных и важных является задача выбора её структуры, которая определяет конфигурацию сети, основные компоненты ее технического и программного обеспечения, алгоритмы работы сети и функциональные требования к ней. Многообразие возможных вариантов построения КС, отсутствие формализованных методов выбора их структур, делают актуальной задачу разработки интеллектуальных средств поддержки выбора их структуры ЛВС в соответствии с требованиями пользователей.
При этом необходимо учитывать вероятностно-временные характеристики функционирования систем для обеспечения требуемой пропускной способности моноканала. Основными методами таких исследований являются аналитическое и имитационное моделирование, которые весьма эффективны на начальных этапах проектирования сети, позволяют быстро получить оценку характеристик ее функционирования и существенно сократить затраты на синтез КС.
В результате моделирования обычно определяются следующие основные показатели функционирования сети: среднее время доставки файлов,
5 эффективную скорость передачи данных, коэффициент использования канала и т.д.
Работа в локальной сети представляет собой совместное использование данных и ресурсов компьютеров, подключенных к сети. Многие крупные сети являются объединением небольших КС и отдельных компьютеров. По мере стремительного роста размеров сети и повышения тарифов на доступ к сетевым ресурсам все большее значение приобретают задачи управления сетью, поддержанию её в работоспособном состоянии, что включает в себя действия, как с аппаратными, так и с программными компонентами сети.
Управление сетевыми ресурсами условно можно разделить на пассивное (наблюдение, анализ, предупреждение об ошибках) и активное (управление параметрами, конфигурация или реконфигурация сети и т.д.). На сегодняшний день большинство приложений управления сетевыми ресурсами осуществляют лишь функцию пассивного наблюдения и не предпринимает активных действий, если с ними что-либо происходит или может произойти.
При управлении сетью любой фирмы, независимо от ее масштаба, сетевому администратору приходится держать в поле зрения целый ряд аспектов, связанных с работой локальных сетей и организацией межсетевого обмена, функционированием кабельных систем, сетевого ПО, серверов и оборудования межсетевого взаимодействия, ПК с их системным и прикладным программным обеспечением. В силу важности информации, передаваемой по сети, системы сетевого управления приобретают первостепенное значение, так как финансовые издержки, вызванные простоями сети, могут быть очень велики.
В настоящее время интенсивно развиваются корпоративные сети, образованные путем объединения разнородных компьютерных сетей (Ethernet, Token Ring и т.д.). Объем трафика, проходящего через корпоративную сеть, растет день ото дня, в связи с чем растет время реакции корпоративной сети на запросы удаленных пользователей, которые, как правило, винят во всем недостаточную полосу пропускания.
В этом случае можно увеличить емкость буферов на маршрутизаторах или перейти на другие приложения. Прежде чем что-то менять стоит воспользоваться системой, предназначенной для моделирования сети. Она позволит оценить, к чему приведут планируемые изменения в работе сети.
Основными требованиями к такой системе моделирования являются:
ясность схемы, иллюстрирующей моделируемую сеть;
гибкость и простота использования системы;
возможность импорта данных о трафике в режиме, близком к реальному времени;
производительность моделирующего «ядра»;
наличие библиотеки моделирования устройств корпоративной сети.
Построение систем моделирования, удовлетворяющих вышеуказанному ряду требований, является актуальной задачей из-за увеличения количества корпоративных сетей и непрерывно увеличивающегося трафика.
Целью диссертации является разработка гибридной экспертной системы синтеза и анализа моделей структур КС обработки информации.
Научная новизна диссертации заключается в разработке набора аналитических моделей КС с различными методами доступа("Токеп- ring", "Token-bus", "CSMA/CD") в виде замкнутых стохастических сетей массового обслуживания с функциональной зависимостью параметров, учитывающих в явном виде основные этапы обработки сообщений в локальной сети.
Практическая ценность работы заключается в разработке библиотеки аналитических моделей КС и методик аналитического и имитационного моделирования, обеспечивающих рациональный выбор структуры и анализ КС. Экспертная система позволяет существенно сократить затраты при выборе структуры КС для конкретного применения. Она реализована в виде пакета программ, включающего библиотеку аналитических моделей типовых КС и базу данных по существующим компьютерным сетям.
7 Результаты диссертационной работы использовались для выбора
структуры локальной вычислительной сети кафедры ЭВМ ТГТУ.
На защиту выносятся следующие результаты:
Аналитические модели КС с методами доступа "Token-ring", "Token-bus" и "CSMA/CD" в виде замкнутых стохастических сетей массового обслуживания с функциональной зависимостью параметров, учитывающие в явном виде основные этапы обработки сообщений в локальной сети;
Результаты исследования адекватности разработанных аналитических моделей КС с помощью математического и имитационного моделирования и результатов натуральных измерений;
3) Пакет программ реализации прототипа гибридной ЭС КС, вклю
чающий базу данных по существующим КС и библиотеку их аналитических
моделей.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Использование аналитического и имитационного моделирования для оценки эффективности функционирования ЛВС. Системы моделирования компьютерных сетей
Приведенные выше показатели эффективности КС необходимы для решения ряда задач, возникающих в процессе выбора структуры КС. Наибо-лге типичными из них являются: сравнение альтернативных вариантов конфигурации сети; выбор метода доступа; определение количественного состава устройств сети; определение требуемого режима работы сети; выяснение целесообразности модификации структуры КС.
Для получения значений указанных показателей эффективности функционирования КС специальными аппаратно программными комплексами и предлагает существование анализируемой сети и её функционирование в определенных условиях. Этот метод неприемлем для анализа эффективности функционирования КС в процессе проектирования сети. Единственным способом оценки в таких случаях является моделирование, которое широко распространяется для определения показателей эффективности функционирования КС.
Математическое моделирование подразделяется на аналитическое и имитационное; аналитическое моделирование предполагает преобразование математической модели в совокупность соотношений, выражающих зависимость показателей от входных параметров модели, а имитационное моделирование обеспечивает получение показателей функционирования модели путём испытания этого алгоритма (прогон модели). Аналитическое моделирование обычно применяется для предварительной оценки и выбора наиболее перспективных вариантов. Поэтому для анализа вероятностно-временных характеристик КС на начальных этапах выбора структуры сети целесообразно использовать указанный метод.
Ключевым вопросом моделирования является вопрос адекватности модели исследуемому объекту. Для решения задач, возникающих на стадии проектирования структуры КС, аналитическая модель локальной сети должна учитывать крупные структурные компоненты (абонентские станции, сетевые интерфейсные устройства, метод доступа к физическим средствам соединения).
Подавляющее большинство известных аналитических моделей КС составляют модели теории массового обслуживания, что объясняется возможностью отражения случайного характера дискетных процессов поступления и обслуживания запросов в КС, возможностями отражения коллективного использования ресурсов сети многими задачами, отражения специфики функций программного обеспечения, воспроизведения в модели в явном виде структуры сети.
В настоящее время при исследовании характеристик функционирования КС часто используются аналитические модели на основе систем массового обслуживания (СМО) [34, 35, 43, 44]. Помимо обязательного предположения о простейшем потоке запросов со стороны абонентов сети [31], к недостаткам данных моделей следует отнести и то, что они не учитывают ограниченное число абонентов сети и ограниченный размер буфера сетевого интерфейса. Вследствие чего снижаются адекватность модели реальной сети и точность расчета показателей производительности КС. Для решения данной задачи перспективным подходом является создание модели ЛВС на основе сети массового обслуживания (сети МО).
Сеть МО - это множество взаимосвязанных систем массового обслуживания (СМО). Взаимосвязь понимается в том смысле, что после окончания обслуживания в одной СМО сети запрос поступает в другую, т.е. одни СМО работают как источники запросов для других СМО. Если, кроме того, существуют внешние источники, то сеть называется открытой. В противном случае сеть будет замкнутой.
Существуют и смешанные сети МО, которые обладают характеристиками как открытых, так и замкнутых сетей МО. Сеть МО позволяет детализировать процесс функционирования ЛВС на уровне отдельных компонентов. При этом каждая СМО сети является моделью некоторого устройства или этапа обработки запроса реальной ЛВС, что особенно удобно на системном уровне исследований. Благодаря такому представлению показатели функционирования модели являются оценками соответствующих показателей функционирования ЛВС.
Большинство существующих аналитических моделей посвящено конкретным протоколам обмена и методам доступа к моноканалу, таким как случайный доступ CSMA/CD [38, 46, 47], маркерный доступ [19, 45] и т. д. Аналитические модели обычно используются для анализа различных характеристик функционирования КС - пропускной способности, надежности технических средств, эффективности отдельных механизмов передачи подтверждения и т.д. В этих аналитических моделях используются функциональные различные параметры и допущения, поэтому невозможно объединить их в единый комплекс моделей, с помощью которого можно анализировать и сопоставлять вероятностно-временные характеристики КС с различной структурой.
Следовательно, остается актуальной задача разработки новых аналитических моделей КС с различными топологическими структурами. При разработке моделей рассматриваются лишь сети базовых конфигураций, т.е. сети функционируют без мостов. Поскольку процесс обслуживания запросов в КС зависит от ряда факторов, многие из которых носят случайный характер, то сети МО, являющиеся моделями КС, должны быть стохастическими. В связи с тем, что при решении задачи выбора структуры ЛВС все абонентские станции сети можно считать статически одинаковыми и на каждую станцию мо 22 жет поступить следующий запрос на передачу только после окончания обслуживания текущего запроса, то в качестве модели ЛВС целесообразно использовать замкнутую стохастическую сеть МО с однородными запросами.
Использование замкнутой сети МО позволяет, в отличие от моделей в виде открытых систем и сетей МО, учесть наличие отрицательной обратной связи в КС, регулирующей интенсивность поступления запросов на абонентскую станцию и среду передачи данных сети.
Проведенный анализ систем моделирования КС показал, что системы управления сетью обычно рекламируются как всеохватывающие и всемогущие. Средства моделирования работы сети назвать таковыми никак нельзя. Разброс цен на эти средства составляет от 129 долларов (за работающую под Windows программу LANModel от Network Performance Insitute) до 40 тысяч долларов (за COMNET III от CACI, которая может работать под Windows 95, Windows NT и Unix).
Каждый из продуктов действительно имеет свою собственную "экологическую" нишу. Одни средства рассчитаны на управление локальными сетями, а другие предназначены для администраторов территориально-распределенных сетей. Одни просто позволяют строить схемы сетей и обладают ограниченными возможностями моделирования, другие же способны производить сложный анализ глобальных сетей.
Разработка аналитической модели КС с методом доступа CSMA/CD
В КС широко применяется метод доступа к среде передачи данных -шина со случайным доступом CSMA/CD (множественным доступом с контролем несущей и обнаружением коллизий).
Метод доступа CSMA/CD позволяет станциям коллективно использовать общую физическую среду, организованную в виде шинной магистрали, на основе конкуренции. При использовании данного метода каждая станция, имеющая подготовленные данные для передачи, следит за состоянием физической среды и при обнаружении отсутствия передач от других станций (пе 67 риод не занятости) помещает свой кадр данных в физическую среду последовательно по битам. Формат кадра для метода доступа CSMA/CD показан на рис. 2.9.
После начала передачи данных станция снова следит за состоянием канала. Таким образом, станция прослушивает передающую среду как до начала передачи (контроль несущей), так и во время передачи информации (обнаружение конфликтов). Если после начала передачи кадра в среде обнаруживается наличие кадра другой станции, то это означает, что кадры, отправляющиеся различными станциями, сталкиваются друг с другом в канале.
При этом каждая из этих станций преднамеренно посылает несколько дополнительных байтов, т.е. комбинацию «искажение», чтобы продлить конфликтную ситуацию для более надёжного её опознания всеми станциями ЛВС. После этого станция прерывает передачу своего кадра и выжидает в течение случайного промежутка времени, прежде чем осуществить попытку повторной передачи кадра.
При занятости среды станция, имеющая подготовленные данные для передачи, задерживает передачу своего кадра до освобождения канала, после чего выжидает межкадровый интервал, необходимый для стабилизации физической среды, и независимо от состояния сигнала опознавания несущей начинает передачу кадра, что совпадает со стратегией 1- настойчивого CSMA. После начала передачи станция возобновляет наблюдение за состоянием среды.
Для того чтобы предупредить возможность повторного конфликта между теми же кадрами, время до момента повторной попытки передачи кадра задаётся случайным образом. Может случиться так, что кадр, передаваемый повторно, вновь будет конфликтовать с другим кадром, но посланным уже не той станцией, конфликт с кадром которой произошел в первый раз. В этом случае происходит та же процедура решения конфликтов, но время ожидания момента повторной попытки передачи кадра возрастает.
Если после определённого числа повторных попыток передачу осуществить не удаётся, станция - отправитель прекращает попытки передачи и сообщает своему пользователю о возможности какой то ошибки. Если передача прошла успешно без конфликтов, то после межкардового интервала станция готова принять от пользователя следующий файл для передачи.
В соответствии с вышеизложенным алгоритмом работы сети, процесс функционирования КС данного типа может быть представлен в виде замкнутой сети МО, показанной на рис. 2.10. Модель состоит из девяти основных фаз, отражающих определённый этап функционирования ЛВС при передаче данных. Первые две фазы имеют то же назначение, что и в модели ЛВС типа Token-ring и Token-bus, т.е. фаза 1 моделирует процесс подготовки файла для передачи на абонентской станции и фаза 2- процесс заполнения буфера передачи подготовленными данными. Перед началом передачи станция прослушивает моноканал и с вероятностью Рзн обнаруживает его занятость. В этом случае станции нужно выждать окончание текущей передачи, и этот процесс моделируется фазой 3. После этого станция начинает передачу данных по каналу, в ходе которой с вероятностью Рц, может произойти столкновение данного кадра с другим кадром, посланным другой станцией в сети. Фаза 4 моделирует задержку, связанную с фиксацией конфликта, затраты на которую зависят от « окна конфликтов».
Обоснование функциональной структуры гибридной экспертной системы синтеза ЛВС
Как было указано в первой главе, целью диссертационной работы является создание гибридной экспертной системы (ГЭС), обеспечивающей решение задачи обоснованного выбора структуры локальных и корпоративных вычислительных сетей в соответствии с требованиями области применения. Для достижения этой цели разрабатываемая ГЭС должна реализовать не только функцию проведения логического вывода, выполняемого типичной экспертной системой, но и функцию расчета вероятностно-временных характеристик функционирования КС, осуществляемую ЭС путем моделирования функционирования. В связи с этим в разрабатываемую гибридную экспертную систему должны включаться следующие компоненты:
база знаний, содержащая знания о предметной области, т.е. области локальных вычислительных сетей;
рабочая память, содержащая данные о текущем режиме системы; машина вывода, решающая на основе имеющихся в системе знаний предъявленную ей задачу;
интерфейсный компонент, осуществляющий диалоговое взаимодействие с пользователем на естественном для него языке;
механизм обучения, обеспечивающий приобретение новых знаний и служащий для пополнения и модифицирования базы знаний;
механизм объяснения, дающий объяснение действиям системы и отвечающий на вопросы пользователя;
библиотека моделей типовых элементов структуры, хранящая разработанные аналитические модели ЛВС.
база данных, содержащая главные параметры существующих на рынке коммерческих продуктов ЛВС;
библиотека изображений, хранящая графическую информацию разработанных моделей.
Общая структура системы ЭС-ЛВС представлена на рис. 3.5.
В зависимости от выполняемых функций и действий все компоненты ЭС могут быть разделены на четыре части. Первая часть включает в себя базу знаний, библиотеку моделей КС, базу данных и библиотеку изображений. Эти компоненты служат фундаментом системы, на основе которого работает ГЭС. Общая особенность этих компонентов состоит в том, что содержащиеся в них данные и знания являются статичными и не зависят от конкретного применения, базы и библиотеки остаются неизменными в процессе работы экспертной системы. Модифицирование содержания в этих компонентах может быть проведено только вне процесса рассуждения системы.
Вторая часть включает динамическую базу данных в которой хранятся исходные и промежуточные данные, данные о текущем режиме системы и конечные результаты, поэтому содержание базы данных постоянно меняется с начала до конца процесса работы ЭС.
Третья часть включает компонент машины вывода, реализующую функцию логического рассуждения и является ядром ЭС. Она организует и координирует действия остальных компонент ЭС 113 К четвертой части относятся интерфейсный компонент, механизм обучения и механизм объяснения. Эти компоненты являются вспомогательной частью ЭС, способствующей взаимодействию между системой и пользователем.
Следует отметить, что система является единым целым и каждая часть ЭС связана и взаимодействует с другими частями системы.
Процесс разработки ЭС состоит из четырех взаимосвязанных этапов [34]: формализации, моделирования, реализации и тестирования. На этапе формализации конкретно определяются способы представления знаний и стратегия рассуждения системы для решения рассматриваемой проблемы, на этапе моделирования создаются модели ЛВС в соответствии с требованиями работы системы, проводится аналитическое моделирование и получаются вероятностно-временные характеристики ЛВС. На этапе реализации формализованные знания превращаются в работающую программу. И, наконец, на этапе тестирования выполняется работа по оценке качества работы и полезности разработанной ЭС.
Пример использования ЭС выбора структуры ЛВС для решения практической задачи
В качестве примера использования разработанной системы ЭС-ВСЛВС для решения практической задачи в данном параграфе рассматривается проблема создания локальной вычислительной сети организации, в соответствии с заданными требованиями пользователя. Разрабатываемая ЭС может спроектировать подходящую ЛВС, в соответствии с заданными требованиями пользователей, а также может предложить наиболее оптимальную топологию сети для различных организаций и учреждений
Необходимость построения локальной сети
В данном разделе рассматривается проблема необходимости построения наиболее оптимальной ЛВС для организации. Структура организации строится по двухуровневому принципу. В соответствии с целями и задачами были выделены два уровня: инструментальный и сервисный. Назначение инструментального уровня входит проведение сложных видов обработки, накопление больших массивов информации, организация банков данных и т.п. Сервисный уровень используется для крупных расчетных задач, организации баз данных коллективного пользования и т.п. Реально в состав системы вошли следующие компоненты:
— «на инструментальном уровне IBM/PC, которые производят предварительную обработку информации;
— на сервисном уровне — файл-сервер, в функции которой входит окончательная обработка экспериментальных данных, обсчет, отображение и выдача рекомендаций по режимам работы, работа с базой даяных в режимах ввода, хранения, выдачи и модификации информации. На базе этой ЭВМ организована система коллективного пользования для расчета физических, математических и прочих задач, которые возникают в процессе работы.
Все машины были объединены в единую систему. Схема сети изображена на рис. 4.3.
. Исходная схема сети организации. При создании сети организации на базе ЛВС был проведен анализ задач, в результате которого сформировались требования к создаваемой системе:
— ЛВС организации должна быть открытой системой, позволяющей наращивать в нужных пределах как разделяемые ресурсы (вычислительные машины, периферия, внешняя память), так и число рабочих станций (новые диагностики, устройства отображения);
— создание ЛВС организации должно предусматривать возможность несложной процедуры изменения топологии системы;
— новая ЛВС организации должна быть совместима со всеми уже работающими программными продуктами;
— математическое обеспечение организации должно носить дружественный характер по отношению к пользователю; ЛВС организации в целом должна быть в достаточной степени надежной и живучей, не иметь критических элементов, единичный отказ которых приводит к отказу системы; ЛВС должна быть достаточно недорогой по отношению к основному оборудованию (18% - 25%).
В результате анализа уже существующих ЛВС, принимая во внимание выдвинутые требования к сети, и учитывая рекомендации организации по созданию ЛВС, было принято решение — для построения локальной сети использовать протокол стандарта IEEE 802.3 (ЛВС с методом доступа CSMA/CD). В качестве физической среды передачи выбор был остановлен на совмещении широкополосного и узкополосного коаксиальных кабелей, которые обладают достаточно высокой скоростью передачи (10 Мбит/с) и внутренним сопротивлением (50 Ом) Для совмещения двух типов кабелей (толстого и тонкого коаксиального кабеля) используются специальные повторители (репитеры). С их помощью можно объединять между собой до пяти сегментов сети. В этом случае максимальная длина сети Ehernet 10BASE5 составит 2.5 км, а максимальная длина сегмента сети Ehernet 10BASE2 - 1 км. Репиторы могут распологаться в произвольном участке сегмента, образуя сети различной конфигурации. Использование коаксиального кабеля позволя-етдостаточно легко и без значительных затрат изменять конфигурацию сети.
Для выполнения поставленной задачи наиболее целесообразно использовать древовидную сетевую топологию, которая обеспечивает легкую реконфигурацию, стабильность работы ЛВС, надежность и децентрализован-ность сети. (рис. 4.4.).
Выше была описана основная структура реальной ЛВС организации. Далее рассматриваем, какие результаты по выбору структуры ЛВС будут выдаваться разработанной ЭС - выбора структуры ЛВС при одинаковых предъявляемых к сети требованиях. После инициализации ЭС-выбора структуры ЛВС на экран выдается вспомогательная информация в виде иерархии меню. По выбору пользователя начинается работа подсистемы "разработка новой ЛВС", которая ведет себя следующим образом:
ЭС для выбора структуры ЛВС 1) Какова область применения ЛВС
1. автом_учреждений
2. автом_предприятий
3. автом_проектирования
4. автом_научных_исслед
