Введение к работе
Актуальность проблемы
Важным условием повышения конкурентоспособности российской экономики в условиях рынка является внедрение на отечественных предприятиях информационных технологий (ИТ). Основой инфраструктуры современных предприятий являются корпоративные сети передачи данных, обеспечивающие транспорт для переноса информации между различными приложениями информационных систем. На них опираются подсистемы телефонии, охраны, видеонаблюдения и др.
В настоящее время на смену специализированным сетям (телефонным, охранным и др.) приходят мультисервисные корпоративные сети. Новые технологии (NGN и MPLS) позволяют создавать эффективные, надежные и безопасные сети любого масштаба. Для обеспечения возрастающих потребностей российских предприятий требования к мультисервисной корпоративной сети, как к среде передачи информации для обеспечения работы различных приложений, непрерывно возрастают. Большое значение приобретает время реакции приложений - при динамичном рынке для успешной борьбы с конкурентами решения необходимо принимать в реальном масштабе времени, что требует соответствующей организации корпоративной сети и ее приложений. Требования работы в реальном времени стали для многих предприятий насущной необходимостью и одним из основных требований, предъявляемых к корпоративным сетям и корпоративным приложениям.
В то же время в реальной корпоративной сети обеспечить хорошее время реакции особенно сложно - этому мешает высокая интенсивность и разнообразие потоков данных, создаваемых сотнями и тысячами сотрудников корпорации, необходимость производить поиск данных в базах большой размерности, сложное взаимодействие распределенных приложений, невысокая скорость глобальных линий связи между отделениями корпорации, замедление скорости взаимодействия в шлюзах, согласующих неоднородные компоненты различных подсетей.
Как показывает мировой опыт, решение указанных проблем невозможно без создания и внедрения эффективных систем управления, позволяющих поддерживать на заданном уровне сетевые ресурсы, необходимые для предоставления качественных услуг. На указанные цели в мире тратиться до 20% от стоимости оборудования корпоративных сетей передачи данных. При этом необходимо учитывать, что в современных мулитисервисных корпоративных сетях используется сложное многофункциональное коммуникационное оборудование, обеспечивающее поддержку специальных механизмов контроля и управления качеством - QoS, развитых инструментов реализации корпоративной политики информационной безопасности.
Комплексное решение задач управления корпоративной сетью представляет сложную научную проблему, связанную с разработкой научно-обоснованных методов создания систем, обеспечивающих поддержку заданного качества обслуживания, администрирования и адаптивного управления.
Важнейшим параметром корпоративной сети является ее структура, которая во многом определяет характеристики сети. В связи с этим структура сети может рассматриваться как объект управления, воздействие на который позволяет управлять потоками данных, что является основной задачей управления сетью.
В настоящее время создано и эксплуатируется большое количество мощных систем управления корпоративными сетями, что позволяет обобщить результаты их работы и выделить общие для них достоинства и недостатки. Как показывает анализ, часто основные достоинства многих систем управления – универсальность и многофункциональность становятся в корпоративных системах и их основными недостатками. Это связано, как правило, с необходимостью учитывать специфику работы корпоративной системы, что требует соответствующих настроек корпоративной сети и методов управления ее работой. Таким образом, существует и постоянно углубляется разрыв между возрастающими универсальными возможностями систем управления и реальными потребностями при управлении, ориентированном на конкретные приложения.
В связи с этим насущной проблемой является разработка новых концептуальных подходов к управлению корпоративными сетями, ориентированных на решение заданного набора прикладных задач, и обеспечение требуемого качества их решения при применении универсальных многофункциональных систем управления. Решение проблемы основано на разработке подходов к управлению корпоративной сетью, совмещающих учет специфики решаемых задач и возможности имеющихся систем управления.
Исследования, направленные на создание и теоретическое обоснование указанных подходов актуальны как в настоящее время, так и на обозримую перспективу развития корпоративных сетей.
Цель работы и задачи исследований
Создание научно обоснованного концептуального подхода к управлению корпоративными сетями, ориентированного на эффективное исполнение приложений и включающего комплекс математических моделей и правил их применения для решения задач анализа и формирования структуры сети, возникающих при управлении сетью. Разработка методики практической реализации созданного подхода, адаптированной для различных направлений применения корпоративных сетей.
Для достижения указанных целей решены следующие задачи:
проведен анализ состояния и направлений развития корпоративных сетей;
проведен анализ современных и перспективных средств и методов управления корпоративными сетями;
разработан двухуровневый метод анализа структуры корпоративной сети, позволяющий проводить расчет параметров потоков данных в корпоративной сети, включающей исследование информационной и технической структур;
разработан комплекс математических моделей для расчета параметров потоков данных в информационной и технической структурах корпоративной сети;
разработаны правила формирования пространства состояний и множества управляющих параметров корпоративной сети;
разработан двухуровневый метод управления сетью, основанный на последовательном решении задач настройки и оперативного управления;
сформулированы задачи настройки и задачи оперативного управления корпоративной сетью;
разработаны математические модели для решения частных задач управления: формирование структуры сети, распределение полосы пропускания канала связи, управление нагрузкой серверов;
разработана методика применения математических моделей при управлении корпоративной сетью;
разработана архитектура системы управления корпоративной сетью, включающая элементы искусственного интеллекта;
разработана подсистема прогнозирования состояния корпоративной сети в нейросетевом логическом базисе;
разработана архитектура аппаратно-программной системы отладки и испытания программного обеспечения систем управления корпоративными сетями.
Методы исследований
При проведении исследований использовались методы системного анализа, теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории управления, теории множеств, математического программирования, матричной алгебры.
Научные результаты, выносимые на защиту:
концептуальный подход к расчету параметров потоков данных корпоративной сети, основанный на формировании и анализе информационной и технических структур;
концептуальный подход к управлению параметрами структуры корпоративной сети, основанный на применении двух уровней управления, соответствующих предварительной настройке и оперативному управлению параметрами сети;
комплексы общих математических моделей, реализующие предложенные концептуальные подходы к анализу и управлению;
комплексы математических моделей расчета параметров для конкретных (частных) задач управления;
архитектуры системы управления корпоративными сетями и системы отладки и испытания программного обеспечения систем управления корпоративными сетями.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
разработан концептуальный двухуровневый подход к исследованию структуры корпоративной сети, основанный на анализе взаимодействия запускаемых на сети задач (приложений), при этом первый уровень предусматривает построение информационной модели, а второй – технической; модели и результаты, полученные на первом уровне, являются основой для формирования структуры сети и расчета ее параметров на втором уровне;
разработан комплекс математических моделей для расчета параметров информационной структуры сети, позволяющих вычислять параметры потоков данных между информационными узлами, с учетом специфики взаимодействия приложений;
разработан комплекс математических моделей для расчета параметров технической структуры сети, предусматривающий возможность анализа таких распространенных технологий как VLAN и VPN, использующий результаты анализа информационной структуры;
разработан концептуальный подход к управлению корпоративной сетью, основанный на классическом методе формирования пространства состояний сети и параметров управления; подход предусматривает двухуровневое управление, где на первом уровне происходит настройка базовых параметров сети, а на втором - оперативное управление при постоянных базовых параметрах; определены базовые параметры сети, выделены первичные и вторичные параметры и параметры управления для различных уровней управления; показано, что практическое применение результатов управления на первом уровне (уровне настройки) приводит к возможности декомпозиции сети на взаимодействующие подсети, что значительно снижает размерность задач оперативного управления;
разработаны математические модели для проведения расчета характеристик часто встречающихся на практике задач управления: управление ресурсами многосерверных узлов, распределение ресурсов каналов связи, формирование структуры сети;
разработаны архитектуры системы управления корпоративной сетью, включающей элементы искусственного интеллекта, и аппаратно-программной системы отладки и испытания программного обеспечения систем управления корпоративными сетями, учитывающей временные параметры потоков и загрузку сетевого оборудования.
Практическая значимость
Практическая значимость результатов, полученных в диссертации, состоит в создании на основе разработанных подходов и моделей методики применения теоретических результатов на практике, систематизирующей и упорядочивающей действия разработчиков и администраторов корпоративной сети при принятии решений по управлению сетью.
Методика дает возможность принимать решения, адаптированные к специфике работы приложений и требованиям к характеристикам работы сети.
Разработанные модели и алгоритмы позволяют осуществлять расчет основных параметров сети при изменении ее структуры и настройках сетевого оборудования, управлять работой сети как в оперативном режиме, так и при настройке в начале эксплуатации.
Разработанные модели также могут применяться для расчета параметров сети, используемых другими моделями в качестве исходных данных.
Приоритет практических решений подтвержден 6 авторскими свидетельствами на изобретения, патентами на изобретения и полезную модель и свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Достоверность и обоснованность результатов диссертации основаны на:
использовании результатов анализа состава и возможностей современных и перспективных средств и методов управления корпоративными сетями при проведении теоретических исследований и построении адекватных математических моделей, что позволило учесть специфику их применения;
корректности вывода математических зависимостей для расчета параметров сети;
согласованности с имеющимися результатами других авторов, опубликованными в отечественной и зарубежной литературе,
данных об их успешном практическом применении для управления параметрами структуры реальных корпоративных сетей.
Основание для выполнения работы
Работа явилась обобщением результатов исследований автора в период с 1986 года по настоящее время и выполнена в МИЭМ. В последние годы работа связана с выполнением Программ Минобрнауки России: «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования» (2000-2003 гг.); «Развитие единой образовательной информационной среды» (2002-2005 гг.); Федеральной программы развития образования (2000-2005 гг.); Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006-2010 гг.); Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы»,
Использование результатов диссертации при выполнении проектов в рамках федеральных и отраслевых научно-технических программ
Результаты, полученные в работе, использованы в рамках выполнения следующих проектов со следующими организациями:
Министерство образования и науки Российской Федерации: № госрегистрации 01.20.0302908 «Разработка методов и средств создания систем удаленного доступа к образовательным и научным информационным ресурсам», № госрегистрации 01.20.0303462 «Разработка методов и средств создания информационных сред для поддержки систем менеджмента качества», № госрегистации 0120.0406249 «Анализ технологий обеспечения информационной безопасности и разработка методов и средств безопасности в корпоративных сетях ВУЗа», № госрегистрации 0120.0412215 «Разработка методов и средств прогностической оценки поведения вертикальных порталов в области менеджмента качества», № госрегистрации 0120.0407238 «Развитие информационной инфраструктуры высшей школы в области высоких технологий», № госрегистрации 0120.0412214 «Создание вертикального образовательного портала в области инноваций и высоких технологий», № госрегистрации 0120.0412089 «Разработка методов и средств создания интеллектуальных программных систем управления сетями телекоммуникаций в образовательных учреждениях», № госрегистрации 0120.0502480 «Развитие методов и средств удаленного доступа к электронным образовательным ресурсам в узкополосных компьютерных сетях»,
Федеральное агентство по образованию: № госрегистрации 01.2.00702429 «Разработка методов и средств создания ИТ-инфраструктуры вуза», № госрегистрации 0120.0802593 «Разработка методики управления информационными ресурсами кафедры/факультета/Вуза на базе международных стандартов в области управления услугами информационных технологий»,
«Российский фонд технологического развития» Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации договор о финансировании научных исследований и экспериментальных разработок № 51/2001 от 01.08.2001 шифр «Портал» «Создание центра телекоммуникационного доступа организаций науки и образования к глобальным информационным ресурсам»,
ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» договор № 1-НИЧ/2008 от 18.08.2008 «Разработка системных проектных решений по созданию информационной сети для обмена научно-техническими и инженерными данными».
Апробация работы
Основные положения, представленные в диссертации, начиная с 1989 года, регулярно докладывались и обсуждались на научных мероприятиях различного уровня. В том числе на:
Всесоюзной Научно-технической конференции «Микропроцессорные средства локальной автоматики», Гродно, 1989;
Четырнадцатой Всесоюзной школе-семинаре по вычислительным сетям, Минск, 1989;
Всесоюзном научно-техническом совещании-семинаре «Микропроцессорные системы управления технологическими процессами в ГПС», Одесса, 1990;
Научно-технической конференции «МИКРОСИСТЕМА – 93», Москва, 1993;
Международной конференции «Новые информационные технологии и системы», Пенза, 1996;
Международном симпозиуме «Качество, инновации, образование и CALS-технологии», Хургада (Египет), 2007;
Международном симпозиуме «Новые информационные технологии и менеджмент качества (NIT&MQ’2008)», Белек (Турция), 2008;
Всероссийской научно-методической конференции «Телематика», Санкт-Петербург, 2009;
Международном форуме «Новые информационные технологии и менеджмент качества» (NIT&QM), Белек (Турция), 2009;
II SEVEROMORAVSKE SYMPOSIUM SOCIALISTICKYCH SAATV “ SIMULACE SYSTEMU”, Ostrava, CSSR, Cerven, 1989;
III Международной научно-технической конференции, “Information and Telecommunication Technologies in Intelligent Systems”, Barcelona (Spain), 2005.
Публикации
Основные положения диссертации отражены в 43 публикациях, в том числе в 2 монографиях, 13 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, а также в 16 трудах отечественных и зарубежных научно-технических конференций, в 2 учебниках и 8 учебно-методических пособиях.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения, включающего авторские свидетельства, патенты и акты о внедрении результатов работы.
