Введение к работе
Актуальность работы. Современный уровень развития информационных технологий предполагает рост взаимодействия элементов сложных систем. К таким системам относятся как распределенные информационно-вычислительные среды - Интернет, grid-системы (кластерные), облачные системы, так и различные информационные системы мониторинга и диагностики.
Развитие современных информационных сетей и рост объемов обмена информацией требуют разработки новых средств моделирования взаимодействия элементов и управления информационными потоками данных в них.
Быстрое развитие новых сетевых услуг, приводящее к изменениям в составе трафика, в сочетании со снижением уровня доходов на бит передаваемой информации тоже ставят перед разработчиками сетей ряд требований. Это такие задачи, как преодоление неустойчивости планирования; экономически более эффективная масштабируемость; улучшение использования полосы пропускания и структуры сети; более эффективное управление рабочими характеристиками сети. Эксплуатация должна становиться более эффективной, а совокупная стоимость владения сетью снижаться. Необходима большая гибкость для реализации новых и дифференцированных услуг более быстрым и экономически выгодным образом.
Такой подход может обеспечивать поддержку традиционных услуг и, в то же время, являться оптимальным для предоставления новых, быстрорастущих услуг. Решение должно обеспечивать максимально эффективное использование полосы пропускания, возможность динамического распределения сетевых ресурсов, более высокий уровень автоматизации и контроля сети.
Рассмотренные аспекты организации функционирования информационных сетей подтверждают актуальность диссертации. Данная тематика так же соответствует Указу Президента Российской Федерации от 7 июля 2011г. №899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации». В частности, развития информационно-телекоммуникационных систем.
Для изучения таких сложных объектов, как современные информационные системы, в начале этого века начала активно развиваться теория сложных сетей, которая основывается на классических случайных графах (Альфред Реньи (A.Renyi), Пол Эрдеш (P.Erdos), 1959 г.). Однако в 1999 году А-Л.Барабаши (A-L.Barabasi), Река Алберт (Reka Albert) изучили одно из проявлений феноменологии критических явлений в сложных системах - безмасштабные сети. В изучение случайных графов внесли свой значительный вклад и русские ученые (В.Е.Степанов, В.Ф.Колчин, А.М.Райгородский и др.).
Динамические процессы, протекающие в информационных сетях, характеризующиеся случайностью и недетерминированностью, требуют применения адекватного математического аппарата, которым являются методы перколяции. Изучением и развитием теории перколяции занимаются такие отечественные ученые, как: Ю.Ю.Тарасевич, С.А.Просандеев, Х.Кестен, Б.И.Шкловский. Однако основной вклад в развитие теории перколяции внесли зарубежные ученые: С.К.Броадбент (S.K.Broadbent), Ж.М.Хаммерсли (J.M.Hammersley), (R.C.Brower), (P.Tamayo) и многие другие.
Необходимо отметить, что, благодаря своему широкому применению, в последнее время интенсивно развивается теория о нахождении кратчайших путей. Использование данной теории необходимо для нахождения оптимального маршрута при перевозках, коммутации информационного пакета Internet и мн.др.
Таким образом, достижение цели по масштабируемости, производительности, управляемости и рентабельности, которые зависят от постоянно развивающихся требований рыночной среды, требует более эффективного подхода к построению и эксплуатации сетей. Безусловно, актуально более гибкое, эффективное, управляемое и автоматизированное транспортное решение следующего поколения, которое инновационным образом позволит интегрировать новые технологии.
Цели исследования. Создание математического и алгоритмического обеспечения управления информационными потоками на основе графовых и перколяционных моделей, для повышения эффективности функционирования сложных нестационарных систем.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие основные задачи.
Проведен анализ современных моделей изучения сложных нестационарных систем на основе теории случайных графов и перколяции. Рассмотрены алгоритмы управления потоками данных в сетевых структурах.
Предложена математическая модель динамической сложной системы с использованием модифицированных методов на основе теории перколяции и теории случайных графов.
Разработана математическая модель управления потоками данных в сложных системах.
Разработан алгоритм выделения и защиты многосвязного узла в сложных системах.
Разработан алгоритм решения практических задач с использованием предлагаемой модели управления параметрами взаимодействия элементов в сложной многоуровневой информационно-вычислительной системе.
Объект исследования: процесс взаимодействия элементов сложной нестационарной системы и потоков данных.
Предмет исследования: математическая модель и алгоритм описания и управления параметрами динамических процессов в сложных безмасштабных сетях.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в ходе диссертационного исследования использовались методы теории перколяции в совокупности со случайными графами, технологии разработки алгоритмов и программного обеспечения, объектно-ориентированное программирование.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана математическая модель сложных нестационарных объектов, основанная на теории случайных графов и теории перколяции, отличающаяся от существующих тем, что с достоверностью 84% отражает реальную обстановку в сложных сетях и, тем самым, позволяет принимать решения по взаимодействию элементов системы. Поставлена задача перколяции для сложных сетей и решена с помощью теории случайных графов.
Впервые разработана процедура управления формированием сети при случайном удалении любых узлов (связей) или удалении узлов с высокой степенью связности, основанная на методах теории перколяции, позволяющая нивелировать реакции сети на разрушение связей и сделать сеть устойчивой к их удалению.
Найдено точное аналитическое решение задачи нахождения среднего размера кластера в сети до порога перколяции на основе определения сильносвязной компоненты. Данное решение отличается тем, что позволяет использовать любую вероятность распределения степеней узлов.
Для любой сети с ограниченными пропускными способностями предложен практический метод получения наилучших допустимых потоков между фиксированной парой вершин в сети, основанный на методе пометок.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Разработанное программное обеспечение было использовано в системах контроля объектов специального назначения. Разработанное программное обеспечение внедрено в ООО "ТриоИнжиниринг", что подтверждено актом о внедрении.
Одним из основных результатов, полученных в ходе исследования, является алгоритм управления информационными потоками данных, который использован в учебном процессе при подготовке специалистов по ГОСВПО 230101 на кафедре «Персональные компьютеры и сети» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения информатики», что подтверждено актом о внедрении.
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается результатами математического моделирования предложенных методов на ЭВМ.
Апробация работы. Наиболее важные результаты докладывались на международной конференции «Новейшие научные достижения - 2012» (Болгария, г. София, 2012 г.), международной конференции «Методы и алгоритмы принятия эффективных решений» (г. Таганрог, 2009 г.)
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на кафедре «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе, три - в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ в Федеральной службе по собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) № 2012610363, 24 января 2012 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений.
Основная часть диссертации содержит 138 страниц машинописного текста, включая 31 рисунков и 5 таблиц.
