Содержание к диссертации
Введение 3
Глава 1. Анализ состояния и проблем в области проектирования информационно- вычислительных сетей, постановка задачи повышения эффективности проектирования сетей 10
1.1. Проблемы и задачи, возникающие при проектировании сетей 10
1.2. Потребность в автоматизированном решении задач проектирования сетей 15
1.3. Постановка задачи разработки методов и алгоритмов для повышения эффективности проектирования сетей 19
1.4. Типичные требования к системам автоматизации проектирования 21
Глава 2. Теоретическая основа для практической разработки системы 24
2.1. Обоснование решения задачи проектирования сетей на основе сочетания экспертных методов и методов имитационного моделирования 24
2.2. Назначение и функции программно-информационного комплекса проектирования сетей, построенного на основании предложенного подхода 27
2.3. Экспертная система. Описание и обоснование выбранных методов и алгоритмов. 33
2.4. Система искусственного интеллекта. Описание и обоснование выбранных методов и алгоритмов 60
2.5. Система имитационного моделирования. Описание и обоснование выбранных методов и алгоритмов 91
2.6. Оценка эффективности используемых методов решения задачи проектирования.. 109
Глава 3. Реализация программно-информационного комплекса 118
3.1. Общее описание программного комплекса 118
3.2. Описание принципов работы Экспертной системы 120
3.3. Описание принципов работы Системы искусственного интеллекта 134
3.4. Описание принципов работы Системы имитационного моделирования 137
Глава 4. Практическое применение разработанной системы и ее анализ по предложенным характеристикам 140
4.1. Примеры моделирования реальных сетей 140
4.2. Сравнение разработанной системы с системами известных производителей, имеющимися на рынке ПО 148
Заключение 153
Список литературы 157
Приложения 163
Введение к работе
В настоящее время происходит бурное развитие в сфере информационных технологий. С одной стороны, этому способствуют многочисленные открытия в технологии производства микропроцессорной техники, сред передачи данных и т.д. С другой стороны, многие отрасли, не связанные напрямую с информационными технологиями, не могут существовать без применения значительных вычислительных ресурсов.
Одним из активно развивающихся направлений в сфере информационных технологий является проектирование вычислительных сетей, которые все более широко внедряются в различные области деятельности. Это направление содержит целый комплекс задач, включая составление схемы линий связи, расчет необходимых технических параметров коллективных сетевых устройств, серверов, рабочих станций и т.д., которые необходимо решить для успешного проектирования сети, соответствующей требованиям заказчика. Очевидно, что чрезвычайно сложно проводить проектирование сети без помощи средств автоматизации, поскольку проект должен быть подтвержден математическими расчетами, основанными на большом числе характеристик. Поэтому использование автоматизированных систем является неотъемлемой частью любого научно и практически обоснованного проекта сети, состоящей более чем из нескольких десятков станций. Практически любую сеть можно представить как систему массового обслуживания, состоящую из множества элементов. Это требует проведения сложных математических расчетов, которые часто требуют для своего выполнения значительных упрощений моделей устройств, законов поступления и обработки информации, схем прохождения заявок и т.д., что может привести к возникновению недопустимо больших погрешностей. Однако, если пытаться реализовать модели без упрощений, то скорее всего произойдет многократное усложнение системы моделирования, что сделает ее трудно реализуемой практически на имеющихся технических средствах. Поэтому разработка новых способов представления, анализа и синтеза сетей являются актуальной для разработчиков проектных решений по установке вычислительных сетей. С развитием технологий хранения, обработки и передачи информации увеличивается сложность получения эффективных решений для построения сетей, поэтому актуальность задачи по автоматизации разработок проектных решений постоянно повышается. В силу описанных выше причин автоматизация проектирования сетей во многих компаниях еще не достаточно развита.
Предметом исследования в данной работе являются методы и алгоритмы, позволяющие повысить эффективность проектирования вычислительных сетей уровня корпорации.
Поэтому целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов для повышения эффективности проектирования вычислительных сетей уровня корпорации. Разработанные методы и алгоритмы реализованы автором в автоматизированной системе получения комплексных сетевых решений для построения вычислительных сетей уровня корпорации (далее - Системе). Такая система позволит компаниям, занимающимся разработкой проектов по установке сетей, автоматизировать процессы принятия решений, добиваться большей эффективности предлагаемых схем сетевого построения, уменьшить стоимость разработок, свести к минимуму вероятность человеческих ошибок и т.д. Кроме того, целый ряд задач просто невозможно решить с требуемым уровнем точности за приемлемое время без автоматизации процесса разработки. Например, расчет загрузок компонентов оборудования, получившихся полос пропускания, определение частоты и продолжительности возможных "всплесков" количества заявок, вероятности возникновения коллизий и потерь при передаче пакетов и т.д.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Определение области возможного расширения применения автоматизированных систем при разработке сетей.
2. Разработка методов, позволяющих повысить эффективность проектирования сетевых решений.
3. Разработка методов рационального построения системы проектирования корпоративных сетей и их реализация.
4. Разработка методов использования статистических, справочных и экспертных сведений для повышения эффективности проектирования с помощью разработанного варианта построения системы проектирования.
5. Верификация результатов работы программно-информационного комплекса для получения выводов по правильности выбранных путей решения задачи повышения эффективности проектирования сетей
Научная новизна основных результатов работы заключается в том, что в ней
1. Впервые задача проектирования вычислительных сетей решена на основе рационального сочетания методов автоматизированного синтеза начального варианта сетевого решения, его оптимизации с использованием методов экспертных систем и имитационного моделирования. Это позволяет повысить эффективность проектирования за счет достижения большей точности получаемых решений и сокращения сроков проектирования.
2. Разработан способ представления и хранения сетевых решений в единой древовидной структуре, включающей организационные и функциональные характеристики корпораций (включая меньшие по масштабу предприятия), что позволяет сократить используемую память и унифицировать алгоритмы обработки информации.
3. Разработаны методы, позволяющие оптимизировать сетевое решение для достижения лучших характеристик проектируемой сети с указанием ожидаемых результатов последующего имитационного моделирования.
4. Разработан метод хранения исходных данных и результатов работы экспертной системы и системы имитационного моделирования в БД для последующего их использования, позволяющий уменьшить требования к памяти и сократить временные затраты на их обработку.
5. Предложен и реализован метод, позволяющий представлять ожидаемые результаты имитационного моделирования не только числовыми величинами технических характеристик, но и оценками в баллах этих характеристик для более удобного восприятия пользователем и системой проектирования.
6. Разработаны методы представления рабочих нагрузок в моделях, основанные на сопоставлении пользователю проектируемой сети перечня решаемых задач и времени, отводимого пользователю на это решение в долях от рабочего дня. Это позволяет облегчить процесс описания задач, решаемых в проектируемой сети.
7. Разработаны методы описания статистических параметров задач, решаемых пользователями проектируемой сети, с использованием реальной статистики, собранной и обработанной на сетях нескольких компаний, что позволило получить большую точность получаемых решений и упростить модели сетей.
Практическая ценность работы заключается в том, что в ней
1. Используемые методы повышения эффективности проектирования позволили реализовать возможность практической разработки сетевых решений, включающих тысячи рабочих станций.
2. Статистические сведения, собранные на реальных сетях и использованные в работе, позволяют разработанной системе быть успешно использованной без предварительного сбора и обработки детальной информации о задачах, решаемых пользователями проектируемой сети.
3. Численные критерии, предложенные в работе, позволяют проводить сравнительные оценки эффективности получаемых сетевых решений и проектирования в целом.
4. Результаты работы отдельных подсистем могут сохраняться для последующего использования, что обеспечивает более широкое применение разработанного комплекса.
5. Используются наборы готовых конфигураций элементов сетей, что не требует от пользователя выполнения ряда дополнительных операций.
6. Реализован набор функций, позволяющих системе быть успешно использованной для решения широкого круга практических, исследовательских и образовательных задач.
Автор выносит на защиту:
1. Метод повышения эффективности проектирования сетей, основанный на соединении методов автоматизированного синтеза начального варианта сетевых решений и последующего их анализа и оптимизации методами имитационного моделирования и экспертных систем.
2. Методы получения, хранения и представления сетевых решений в виде дерева, сочетающего в себе организационные и функциональные характеристики корпорации, что позволяет уменьшить требуемый объем памяти и повысить скорость доступа к элементам сетевого решения.
3. Использование собранных статистических сведений для составления агрегированной модели рабочей станции по характеристикам ее взаимодействия с сетью и обоснование выбора методов представления рабочих нагрузок в моделях в зависимости от решаемых задач и временных характеристик работы пользователя. Это позволяет сократить время, необходимое для имитационного моделирования.
4. Методы и алгоритмы получения и вьщачи экспертной системой (ЭС) ожидаемых результатов последующего моделирования, оценок качества установленного оборудования в баллах, предложений по корректировке сетевого решения, позволяющие сократить количество анализируемых вариантов возможного построения сети. 5. Методы и алгоритмы использования коэффициентов доверия для выбора необходимых сведений из БД и их корректировки по итогам проведенного имитационного моделирования, позволяющие точнее настраивать систему проектирования.
В работе были получены следующие научные результаты:
1. Предложен и обоснован метод повышения эффективности проектирования сетей, основанный на соединении методов первоначального синтеза сетевых решений и последующего их анализа и оптимизации методами имитационного моделирования и экспертных систем.
2. Разработаны алгоритмы диалогового взаимодействия с пользователем для получения и формализации исходных сведений об организации, решаемых задачах, ограничениях и особенностях проектируемой сети.
3. Разработан метод создания универсальной обобщенной схемы сетевого решения на основе объединения организационной и функциональной структур корпорации, дополненных описанием задач пользователей и характеристиками оборудования, что позволяет унифицировать алгоритмы обработки информации.
4. Разработан эффективный способ хранения, использования и корректировки характеристик элементов сетевого решения и результатов их моделирования.
5. Разработаны методы и алгоритмы обучения базы данных по результатам имитационного моделирования.
6. Разработаны методы и алгоритмы получения и выдачи ожидаемых результатов моделирования, оценок качества установленного оборудования в баллах, предложений по корректировке сетевого решения для повышения эффективности проектирования сети.
7. Разработан метод рационального использования статистических сведений для составления агрегированной модели рабочей станции по характеристикам ее взаимодействия с сетью.
Разработанная система была использована для получения и обоснования проектных решений при разработке вычислительных сетей библиотеки МИФИ и Туристско-информационного центра правительства Москвы, что подтверждается соответствующими документами.
Основные результаты работы доложены на следующих конференциях:
1. Всесоюзный научно- практический семинар "Вузовская библиотека на пороге нового тысячелетия " Министерства Высшего образования РФ на базе МИФИ в марте 2000 года.
2. Международная научная конференция "Современные информационные технологии в образовательном процессе и научных исследованиях", проходившая в государственном университете г. Шуя 21-22 января в 2000 году. Был сделан доклад на тему "Имитационное моделирование — современное средство и технология в научных исследованиях и учебном процессе" с демонстрацией действующей системы на секции "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в промышленности".
3. Научная сессия МИФИ в январе 2003 года.
По результатам изучения и анализа области проектирования сетей, разработки собственной системы проектирования сетевых решений автором опубликованы 9 печатных работ (из них 5 - в соавторстве).
Первая глава диссертационной работы содержит анализ настоящей ситуации в сфере информационного и программного обеспечения, предназначенного для использования при проектировании вычислительных сетей, рассмотрены актуальные проблемы в данной области. Также глава содержит обзор и анализ по предложенным характеристикам систем проектирования сетей известных фирм, работающих в данной направленности. На основе выполненного анализа аргументирована необходимость разработки системы, позволяющей повысить эффективность работ по составлению сетевых решений, сформулированы цели разработки и требования к такой системе.
Во второй главе описан и обоснован предложенный автором метод решения поставленной задачи на основе соединения синтеза и анализа модели проектируемой сети. Приведены разработанные алгоритмы и методы поиска решений, результаты теоретических и практических исследований, проведенных автором в данной области, полученные зависимости и графики модельных величин. Предложены и обоснованы критерии оценки эффективности сетевых решений и проектирования в целом, приведены примеры их применения.
В третьей главе данной работы описаны и обоснованы алгоритмы, использованные в разработанном программно-информационном комплексе. Приведены схемы взаимодействия пользователя и системы, экранные формы для ввода и отображения графической и текстовой информации. Приведено описание алгоритмов работы подсистем комплекса и некоторых наиболее важных процедур и функций.
В четвертой главе приведены результаты практического применения разработанной системы, описания поставленных задач по синтезу и анализу реальных сетей, предложенные методы решения, полученные результаты и выводы, сделанные по итогам применения системы. Кроме того, приведен анализ характеристик разработанной системы по критериям, предложенным в первой главе для систем известных фирм. По результатам проведенного анализа сделаны выводы о правильности предложенного метода решения поставленных задач.
Результаты диссертационной работы получены с использованием методов искусственного интеллекта, экспертных систем, имитационного моделирования, теории вероятностей и математической статистики, теории баз данных, теории принятия решений.
