Введение к работе
Актуальность работы. Научно-технический прогресс привел к появлению нового класса крупномасштабных систем, корпораций. К ним относятся производственные комплексы, системы коммунальных служб, транспорта, связи, экономические и экологические системы регионов, и другие.
Корпорация характеризуется сложной многопрофильной структурой, объединяющей предприятия, отделения и административные офисы, расположенные на достаточном удалении друг от друга, но работающие под единым управлением и решающие общие задачи. Успешная работа многих корпораций сегодня напрямую зависит от объединяющих коммуникаций. Корпоративная сеть становится важнейшим ресурсом предприятия.
Задача развертывания корпоративной сети имеет свои проблемы. В основном они связаны с организацией эффективного взаимодействия отдельных неоднородных частей распределенной сети. Неоднородность включает несколько аспектов: в разных сетях - разные длины пакетов, скорости передачи данных, архитектура, топология, программное обеспечение. Все функции по объединению и согласованшо выполняются в сетевых центрах разного уровня и назначения - мостах, коммутаторах, маршрутизаторах и шлюзах -обеспечивающих сопряжение и необходимое преобразование в терминах, как аппаратуры, так и программного обеспечения.
Центры сопряжения (ЦС) реализуются в виде многопроцессорных мультипрограммных систем с определенной конфигурацией. Выполняя основную функцию взаимодействия нескольких неоднородных сетей, ЦС обрабатывают большие потоки информации, что приводит к необходимости распараллеливания во времени функций приема, передачи и обработки поступающих на его вход сообщений. Классическим путем создания подобных систем является использование процессоров с типичными архитектурами 1386, PowerPC, ARM, RISC и других. Такой подход обладает рядом недостатков: производительность центров сопряжения, при выполнении фиксированных задач, используется не полностью, а лишь на 10-20%, жесткая привязка архитектуры к функциональности ЦС не позволяет гибко управлять ресурсами и распределять нагрузку, моральное устаревание элементной базы приводит к необходимости полной замены ЦС.
По вопросам оценки эффективности использования коммутационных ресурсов и вероятностно-временных характеристик сетей и их отдельных компонент опубликовано большое число работ отечественных авторов: A.M. Александрова, В.А. Богатырева, А.В. Бутрименко, Л.Е. Варакина, В.М. Вишневского, А.А. Гоголя, В.А. Ершова, Г.П. Захарова, М.О. Колбанёва, А.П. Кулешова, О.И. Кутузова, В.Г. Лазарева, В.В. Лохмотко, Н.И. Лычагина, И.А. Мизина, Б.Я. Советова, О.С. Чугреева, С.А. Яковлева, А.И. Яшина. Работы этих и ряда других ученых составляют теоретическую базу для анализа информационных сетей и их элементов. Однако широкий круг вопросов, связанных с согласованием неоднородностей при объединении различных сетей, остаются открытыми.
Появившиеся на сегодняшний день технологии, инструментальная и элементная база определили альтернативный подход к построению сетевого оборудования. Данный подход базируется на идеях универсальности, аппаратной конфигурируемости и динамической настройки структуры ЦС в зависимости от решаемых задач и внешних условий. Это абсолютно новые решения, которые позволяют повысить отдачу от уже сделанных инвестиций и способные стать ключом к оптимизации и сокращению затрат на приобретение нового оборудования.
Таким образом, при построении корпоративной сети, а также на этапах настройки, доводки и модернизации сети комплексирование готовых аппаратных решений центров сопряжения требует методики, обеспечивающей направленное формирование облика ЦС с заданным набором свойств. Однако отсутствие методов и моделей оценивания характеристик ЦС на соответствие требуемому качеству обслуживания при заданном либо прогнозируемом трафике не позволяет осуществлять структурный синтез центров сопряжения, удовлетворяющих определенным свойствам.
Указанные обстоятельства актуализируют разработку принципов, методов и моделей взаимодействия неоднородных сетей, которым посвящено данное диссертационное исследование. Решение названной проблемы имеет важное хозяйственное значение, поскольку отсутствие решений в данном направлении до сих пор сдерживает строительство корпоративных сетей и не позволяет обеспечить должное качество обслуживания.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методологии синтеза и моделирования центров сопряжения неоднородных информационных сетей с заданным набором свойств.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Обосновать и разработать принципы построения центров сопряжения, как систем, обеспечивающих взаимодействие корпоративных информационных сетей.
Разработать системную модель центра сопряжения, отражающую уровни и страты межсетевого взаимодействия
Разработать комплекс моделей процессов согласования, реализуемых в центрах сопряжения корпоративных информационных сетей.
Предложить систему методов и алгоритмов аналитического и имитационного моделирования функционирования центров сопряжения корпоративных информационных сетей.
Разработать методику структурного синтеза центра сопряжения корпоративных информационных сетей и получить экспериментальные соотношения, составляющие основу процедур выбора структуры ЦС
Объектом исследования являются центры сопряжения неоднородных сетей разных архитектурных решений и функциональных возможностей, выполненные в виде многопроцессорных вычислительных комплексов.
Предметом исследования является аналитическое и имитационное моделирование процессов функционирования центров сопряжения неоднородных
сетей.
Методы исследования. Решение сформулированной в диссертационной работе проблемы анализа вероятностно-временных характеристик и методики синтеза структуры центра сопряжения неоднородных сетей, достаточной для обеспечения необходимого качества обслуживания, базируется на методах системного анализа, теории вероятности, случайных процессов и математической статистики, теории алгоритмов, сетей массового обслуживания, линейной алгебре, методах численного анализа, теории оптимизации, исследования операций и имитационного моделирования.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Принципы построения центров сопряжения как систем, обеспечивающих взаимодействие корпоративных информационных сетей.
Системная модель центра сопряжения, отражающая уровни и страты межсетевого взаимодействия.
Комплекс моделей процессов согласования, реализуемых в центрах сопряжения корпоративных информационных сетей.
Система методов и алгоритмов аналитического и имитационного моделирования функционирования центров сопряжения корпоративных информационных сетей.
Методика структурного синтеза центра сопряжения корпоративных информационных сетей и экспериментальные соотношения, составляющие основу процедур выбора структуры ЦС.
Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в разработке основ прикладной теории синтеза центров сопряжения корпоративных информационных сетей, базирующейся на аналитическом, аналитико-имитационном и имитационном моделировании и обеспечивающая нахождение структур центров сопряжения корпоративных информационных сетей, удовлетворяющих заданным наборам свойств.
Новые научные результаты:
1. Принципы построения центров сопряжения корпоративных
информационных сетей отличаются группировкой и порядком их применения для
формирования универсальной среды синтеза ЦС, что позволяет получать решения
с заданными свойствами на многообразии вариантов сопряжения корпоративных
информационных сетей.
2. Системная модель центра сопряжения корпоративных информационных
сетей отличается выделением минимально полного набора структурных
элементов, присущих всему многообразию вариантов ЦС, что позволяет
обеспечить универсальность данной модели в различных задачах синтеза
структуры ЦС.
Комплекс моделей процессов согласования, реализуемых в центрах сопряжения, отличается учетом существующих стратегий межсетевого взаимодействия, что дает возможность оценить необходимые требования к характеристикам согласования независимо от архитектуры и функциональных возможностей ЦС.
Система методов и алгоритмов аналитического и имитационного
моделирования функционирования центров сопряжения отличается возможностью формирования пространства вероятностно-временных характеристик ЦС при различных уровнях сложности протекающих в них процессов, что позволяет исследовать варианты системотехнических решений в широком диапазоне изменения неопределенностей исходной информации о взаимодействующих сетях.
:- 5. Методика структурного синтеза центра сопряжения корпоративных информационных сетей отличается комбинированным применением этапов автоматической генерации множества альтернативных структур ЦС на основе генетического алгоритма и «ручного» выбора предпочтительного варианта, что позволяет осуществлять многокритериальный синтез структуры ЦС в условиях близких к реальным.
Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в полученных расчетных выражениях, алгоритмах и методиках, реализующих синтез структур центров сопряжения и оценивание их функциональных характеристик. Предлагаемые аналитические, аналитико- имитационные и имитационные модели и методы могут применяться для решения конкретных задач исследования согласований неоднородных сетей и проектирования корпоративных информационных систем, а также при выборе сетевого оборудования, предназначенного для учебных заведений, государственных и коммерческих организаций.
Реализация и внедрение результатов работы.
Теоретический базис разработанных методов и моделей по оценке ВВХ и структурному синтезу центров сопряжения неоднородных сетей основан на исследованиях, результаты которых обобщены в монографии, учебных пособиях, научных статьях и в докладах на российских и международных конференциях. Часть разработанного программного обеспечения зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию (имеется 6 свидетельств об отраслевой регистрации разработок).
Тематика научных исследований, выполненных в диссертации связана с планами кафедры «Информационные управляющие системы» Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций (СПбГУТ) и с выполнявшимися в СПбГУТ в 2005-2006 гг. научно-исследовательскими работами: «Сравнительный анализ решений по созданию инфраструктуры организации доступа к услугам операторов зоновой междугородной и международной связи в условиях демонополизации рынка дальней связи на сетях ОАО «Северо-Западный Телеком» (Гос per. № 071-06-054), «Разработка корпоративных стандартов и внутрифирменной документации, ориентированной на организацию производственного процесса при внедрении новых услуг связи на базе оборудования» (Гос per. № 017-06-054).
г Полученные в диссертации результаты нашли практическое применение на следующих предприятиях:
ФГУП НИИ «Масштаб», ФГУП «НПО «Импульс» и Ленинградском Военном округе при проектировании систем связи специального назначения;
Ленинградском отраслевом научно-исследовательском институте связи при проведении работ по разработке основополагающих документов развития отрасли связи «Концепция программы развития связи и информатизации Российской Федерации до 2015 г.»;
ОАО «Северо-Западный Телеком» при разработке «Концепции технического развития ОАО «Северо-Западный Телеком» на период 2003-2007 гг.»;
ОАО «Мегафон» и ОАО «ЭР-Телеком» при анализе различных вариантов построения и проектировании телекоммуникационных сетей;
ОАО «Гипросвязь СПб» при планировании работ по адаптации
оборудования к требованиям заказчиков, подготовке контрактов на поставку
аппаратных и программных средств центров обработки информации и
сопряжения корпоративных сетей, при послепродажной поддержке
оборудования; проектировании центров сопряжения корпоративных
информационных сетей;
Результаты диссертационной работы, связанные с моделями согласования корпоративных сетей, нашли отражение в госбюджетной научно-исследовательской работе по теме ГЪ-2/АСОИУ-17 "Модели и методы реализации информационных технологий", выполняемой на кафедре "Автоматизированные системы обработки информации и управления" по единому заказ-наряду Министерства общего и профессионального образования РФ в период с 1993-1997 гг.
Результаты, связанные с методикой структурного синтеза центров сопряжения корпоративных информационных сетей отражены в научно-исследовательских работах по грантам для молодых кандидатов наук г. Санкт-Петербурга с 2003-2005 гг.: «Разработка моделей и методики расчета характеристик коммутаторов распределенных вычислительных систем» (Шифр гранта PD03-2.0-96, 2003 г.), «Разработка метода и алгоритмов статистического моделирования межсетевых устройств матричного типа» (Шифр гранта PD04-2.0-74, 2004 г.), «Разработка процедуры оптимизации мультипроцессорных устройств сопряжения корпоративных сетей» (Шифр гранта PD05-2.0-42,2005 г.).
Основные научные результаты диссертации используются в учебном
процессе при чтении лекций, курсовом и дипломном проектировании, проведении
студенческих НИР и в лабораторных работах на кафедре «Информационные
управляющие системы» Санкт-Петербургского государственного университета
телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, кафедре «Морские
информационные технологии» Российского государственного
гидрометеорологического университета. Издано 4 учебных пособия, в том числе с рекомендациями УМО вузов по университетскому политехническому образованию, и ряд методических указаний.
Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами о внедрении. Акты о внедрении и использовании результатов работы представлены в Приложении к диссертации.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на
следующих международных, всероссийских и региональных конференциях: Межвузовской конференции «Управляющие вычислительные системы. Новые технологии», Вологда, 1999 г.; международной научно-технической конференции "Транском-99", Санкт-Петербург, 1999; Научно-методическом семинаре «Информационные сети и системы», Москва, 1999 г.; VII Международной конференции «Региональная информатика - 2000», Санкт-Петербург, 2000; VI Международной конференции по информационным сетям и системам ISINAST, Санкт-Петербург, 2-7 октября 2000 г.; II научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ «Техника и технология связи», Санкт-Петербург, 2000 г.; VII Международной конференции по информационным сетям и системам ISINAST, Санкт-Петербург, 2001 г.; Международной конференции по телекоммуникациям IEEE/ICC2001, Санкт-Петербург, 11-15 июня 2001 г.; VIII международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки», Санкт-Петербург, 2001 г.; IV международной конференции по мягким вычислениям и измерениям, Санкт-Петербург, 2002 г.; IV всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий», 7-12 августа, г. Улан-Удэ, 2003 г.; I всероссийской научно-практическая конференция по вопросам применения имитационного моделирования в промышленности, Санкт-Петербург, 2003 г.; международной научно-технической конференции "Транском-2004", Санкт-Петербург, 2004; Международной конференции «Приборостроение в экологии и безопасности человека», 10-12 ноября 2004 г.; Санкт-Петербургской научно-практической конференции «Проблемы подготовки кадров в сфере инфокоммуникационных технологий», Санкт-Петербург, 1-3 марта 2005 г.; II всероссийской научно-практическая конференция по вопросам применения имитационного моделирования в промышленности, Санкт-Петербург, 2005 г.; Международной научно-методической конференции «Инновационные программы и их роль в повышении уровня подготовки специалистов», 16-19 октября, Санкт-Петербург,. 2006 г.; кафедральных семинарах и научно-технических конференциях Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в 1997-2006 гг.; Российского "государственного гидрометеорологического университета в 2002-2006гг. ;;":
Публикации. По теме диссертации опубликовано 52 научные работы, из них 24 статьи (10 статей - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ), 1 монография, 5.свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, двух приложений и списка литературы, включающего 151 наименование. Основная ;; часть работы изложена на 260 страницах машинописного текста. Работа содержит 159 рисунков и 21 таблицу.
