Введение к работе
Актуальность темы. В основе решения проблемы информатизации
общества лежит необходимость создания информационно-
вычислительных сетей различного целевого назначения. Институтом проблем информатики РАН в кооперации с другими научными организациями России разработаны концептуальные положения по построению единой информационно-телекоммуникационной системы общенационального масштаба (ЕИТС), интегрирующей в своем составе как существующие ведомственные и коммерческие, так и вновь создаваемые магистральные и региональные сети государственной принадлежности. 8 работе академика И.А.Мизина1 сформулированы проблемы, требующие решения при создании национальной сети передачи данных, и намечены пути реализации системы; отмечено, что огромное значение для экономики страны имеет создание новой вторичной сети - сети передачи данных с коммутацией пакетов.
Современные информационные технологии основаны на совместном использовании средств вычислительной техники и связи. Для сети передачи данных, являющейся, наряду с совокупностью абонентских систем, одной из основных компонент вычислительной сети, в настоящее время все чаще используется термин телекоммуникационная сеть (ТС). Сети коммутации пакетов являются разновидностью ТС. При этом под коммутацией пакетов следует понимать не только традиционные протоколы на базе рекомендации Х.25, но и современные технологии, такие как Frame Relay и ATM, в которых пакеты именуются кадрами (frame) и ячейками (cell), соответственно.
Основным методом исследования сложных информационных систем на всех стадиях их разработки, проверки и модернизации является компьютерное моделирование. Современное программное и аппаратное обеспечение позволяет реалиэовывать удобные средства поддержки работ по моделированию ТС. Однако существующие системы моделирования сетей связи, разработанные в прошлые годы в нашей
Мнэин И.Л. О концепции создания Российской общегосударственной и региональных интегрированных сетей передачи информации // Системы и средства ин-.форматики, выл.6. - М. : Наука, 1995.
стране (пакеты прикладных программ «Такт» НИИССУ, «Граф» ВЦ СО РАН и др.), в настоящее время моральна устарели и не имеют средств для анализа современных сетевых технологий. Что касается зарубежных систем аналогичного назначения (COMNET III компании CACI, Opnet компании MIL3, NetworkVUE компании GRC и др.), то они являются закрытыми для модификации или использования их а качестве основы для разработки новых моделей. Математические методы и алгоритмы расчетов, используемые в этих пакетах, скрыты внутри программ и оценить их надежность и адекватность без проверки на реальных объектах не представляется возможным.
Проектировщики и системные архитекторы сетей испытывают потребности в средствах моделирования, которые позволяли бы задавать исходную информацию на «естественном» языке в терминах величины прогнозируемого трафика, используемых протоколов и сетевого оборудования, типов услуг (работа с удаленной БД, электронная почта, передача данных и т.п.) и могли рассчитывать основные характеристики системы. При моделировании ТС информация о входных и выходных данных является типичной для большинства задач и, как правило, не зависит от используемого метода моделирования и типа расчетных задач. В связи с этим, актуальной и важной задачей является создание в интересах разработки объектно-ориентированных программных средств моделирования универсальной проблемно-ориентированной базовой программной системы поддержки моделирования коммуникационных сетей (БСМ), включающей модули для ввода исходных данных и для представления результатов. При наличии БСМ могут решаться разнообразные задачи моделирования конкретных ТС, Алгоритмическая часть разрабатывается отдельно, а затем интегрируется с базовой системой. Важной прикладной задачей является разработка программно-математических средств для наиболее современных технологий передачи пакетов, таких как ретрансляция кадров.
Среди актуальных проблем, возникающих при моделировании телекоммуникационных сетей, следует указать анализ процесса передачи информации в транспортной сети, являющейся, с точки зрения эталонной модели взаимодействия открытых систем, объединением четырех нижних уровней архитектуры, начиная с транспортного.
В связи со все еще широкой распространенностью з России каналов низкого качества существенна роль транспортно го уроаня, призванного компенсировать издержки в передаче пакетов, которые могут иметь место на сетевом уровне. С другой стороны, активное использование скоростных высоконадежных каналов и современных сетевых технологий характеризуется применением упрощенных протоколов обмена, что позволяет существенно сократить накладные расходы и ускорить время доставки. В этом случае, задача повторной передачи недоставленных пакетов также возлагается на транспортный уровень. Ядром транспортной сети язляетсл пакетная сеть, которая может иметь достаточно произвольный вид. Объектами моделирования могут быть локальные сети, спутниковые, радиосотовые и другие системы, являющиеся компонентами ЕИТС.
Следует отметить, что в существующих работах по моделированию транспортной сети не учитывается влияние управляющих параметров транспортного протокола на вероятностно-временные характеристики (ВВХ) сетевого сервиса. Это может привести к существенным искажениям реальной ситуации. В связи с этим актуальной задачей является исследование процессов передачи информации на транспортном уровне с учетом особенностей транспортных протоколов, стохастических свойств пакетных сетей и взаимодействия процессов сетевого и трансаортного уровней, разработка соответствующих математических моделей и их программная реализация. При этом возникает возможность разработки на основе БСМ программно-математических средств расчета ВВХ передачи сообщений на транспортном уровне и оптимизации управляющих параметров транспортных протоколов.
Из вышеизложенного вытекает актуальность темы создания базовых средств поддержки моделирования и - на основе этих базовых средств - конкретных программно-математических средств анализа телекоммуникационных сетей.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка базовой программной системы для поддержки задач моделирования телекоммуникационных сетей с коммутацией пакетов, создание программно-математических средств моделирования современных телекоммуникационных сетей в интересах создания ЕИТС, с
учетом показателей качества функционирования каналов передачи
данных и ориентации на современные сетевые технологии.
Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
разработана базовая программная система моделирования, обеспечивающая унификацию программной реализации и пользовательского интерфейса вновь разрабатываемых моделей функционирования сетей и существенно облегчающая их создание;
на основе БСМ разработана программа моделирования сети с технологией Frame Relay;
на основе БСМ разработана программа моделирования сети с совместным использованием протоколов Х.25 и Frame Relay;
разработана математическая модель транспортной сети, учитывающая влияние управляющих параметров транспортного протокола на ВВХ сетевого уровня; разработаны алгоритм и программа расчета ВВХ транспортного уровня;
на основе БСМ и разработанных в работе моделей и алгорит
мов создана программа расчета характеристик транспортной сети.
Методы исследования. В качестве методологической основы изучения рассматриваемых в работе объектов выбрана теория моделирования сложных систем. Используется концепция уровневой декомпозиции процессов и развиваемая на этой же основе концепция моделирования. Для исследования объектов и их свойств (при моделировании транспортной сети) применяются современные методы исследования операций, в том числе методы теории массового обслуживания, теории игр, численные методы и статистические методы имитационного моделирования. Математические модели программно реализуются на языке Паскаль (с применением методов объектно-ориентированного программирования) как в виде библиотек для их использования в дальнейшем, так и в качестве готовых программных пакетов для моделирования коммуникационных сетей.
Научная новизна. В результате выполненных исследований разработана базовая программная система, являющаяся универсальной средой для модельного представления сетей передачи данных, обеспечивающая ведение базы данных с информацией о сетевом обо-
5 рудовании и типах трафика, имеющая графический пользовательский интерфейс приложений с удобными средствами для ввода информации и обеспечивающая различные варианты представления исходных данных и результатов расчетов. Судя по известным публикациям, система с указанным спектром возможностей разработана впервые.
На основе БСМ созданы новые программно-математические средства моделирования современных ТС с коммутацией пакетов и транспортной сети, обеспечивающие пользователю возможность удобного задания исходных данных и расчета широкого спектра общесистемных характеристик указанных сетей.
При моделировании транспортной сети учитывалось, в отличие от ряда других работ в этой области, влияние управляющих параметров транспортного протокола на вероятностно-временные характеристики сетевого сервиса.
Практическая значимость. Основные результаты диссертации были получены и/или использованы для конкретных расчетов при выполнении следующих НИР и ОКР:
ОКР по модернизации информационно-телекоммуникационных систем органов государственного управления;
НИР «Бета» - «Разработка математических методов и моделей для исследования и проектирования телекоммуникационных сетей, использующих перспективные методы построения первичной сети (SDH, SONET) и коммутации пакетов (Frame Relay, ATM)»;
ОКР «Черемша» - «Разработка моделей и программных средств оценки системных характеристик сетей передачи данных»;
НИР «Тротокол» - «Перспективные исследования по совершенствованию адаптивного управления процессами передачи информации в больших коммуникационных сетях методами математического моделирования с целью повышения устойчивости функционирования систем управления и связи»;
НИР «Вега» - «Исследование и разработка методов контроля и оценки эффективности функционирования сетей передачи данных и построения аппаратно-программного комплекса для проведения испытаний, проверки и отладки СПД».
Базовая программная система обеспечивает унификацию программной реализации и пользовательского интерфейса для вновь разрабатываемых моделей коммуникационных сетей и должна существенно облегчить их создание.
Созданные программно-математические средства исследования и проектирования ТС могут использоваться проектировщиками и системными архитекторами сетей, а также разработчиками сетевого оборудования.
Разработанные в диссертации математические модели транспортной сети могут служить основой для решения задач, связанных с моделированием и оптимизацией процессов передачи информации на транспортном уровне.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на научных семинарах в ИЛИ РАН и ВЦ РАН, на XVI Всесоюзной школе-семинаре по вычислительным сетям (Винница,1991 г.), на XV школе-семинаре «Моделирование и оценка резервных возможностей развивающихся систем» (Славское, 1991 г.), на II Конференции «Информационные сети и системы»
(Санкт-Петербург, 1993 г.), на семинаре «Информационные сети и системы» (Суздаль, 1995), на конференции «Информационные сети и системы (ICINAS-96)» (Санкт-Петербург, 1996 г.), на Международном семинаре «Информационные сети, системы и технологии»
(Ярославль, 1997 г.). Разработанные программы моделирования демонстрировались на Международной выставке «Связь-Экспокомм'97»
(Москва, 1997 г.), информация о программах вошла в справочник «Интеллектуальные программные системы»2.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 120 наименований, и приложения. Содержит 150 страниц текста, 48 рисунков и 13 таблиц.