автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Алгоритмы многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей

На правах рукописи

ПРОФЕРАНСОВ Дмитрий Юрьевич

АЛГОРИТМЫ МНОГОУРОВНЕВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КОРПОРАТИВНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 [.¡др тг

Москва 2012

005012258

005012258

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный институт электроники и математики (технический университет) на кафедре «Вычислительные системы и сети».

Научный руководитель: Доктор технических наук,

Лакаев Анатолий Семенович

Научный консультант: Доктор технических наук, доцент

Сафонова Ирина Евгеньевна

Официальные оппоненты:

Увайсов Сайгид Увайсович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Московский государственный институт электроники и математики (технический университет), профессор.

Свиридов Александр Петрович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Российский государственный социальный университет, профессор.

Ведущая организация: ФГУ ГНИИ ИТТ "Информика"

Защита состоится « 29 » марта 2012 г. в 16.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 при Московском государственном институте электроники и математики (МИЭМ) по адресу: 109028 Москва, Б. Трехсвятительский пер., дом 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики (технического университета).

Автореферат разослан « и » февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н., профессор

Н.Н.Грачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время развитие телекоммуникационных технологий меняет подход к проектированию, построению и модернизации большинства корпоративных территориально-распределенных сетей, которые становятся все более сложными и масштабными с точки зрения их инфраструктуры и используемых сервисов. Проектируемые и строящиеся корпоративные сети нового поколения, как правило, основываются на концепции Broadband Convergence Network, предполагающей конвергенцию гетерогенных данных в единую сетевую среду. В тоже время большинство существующих моделей телекоммуникационных сетей из-за имеющихся ограничений позволяют решать лишь отдельные частные вопросы, поэтому актуальной научной задачей является разработка новых моделей таких сетей с целью улучшения их технических характеристик.

Как правило, корпоративная телекоммуникационная сеть включает в себя тысячи самых разнообразных компонентов и для ее эффективного моделирования такую сеть в большинстве случаев целесообразно представлять в виде иерархической многоуровневой структуры. Как показывает практика, разработчикам наиболее удобно представлять сеть с помощью графа, который позволяет наглядно увидеть связи, а методы теории графов - эффективно проводить оптимизацию, при этом имеется возможность анализировать как отдельные подграфы так и сеть в целом, а для этого необходима разработка графовой модели корпоративной телекоммуникационной сети.

При создании крупных территориально-распределенных сетей процесс их разработки и ввода в действие охватывает большой интервал времени и, соответственно, возникают проблемы создания сети как развивающейся системы. Необходимо учитывать рост потребностей абонентов в переработке информации с течением времени, изменение технико-экономических характеристик средств сети, в ряде случаев отсутствие достоверных исходных данных. Для разрешения этих проблем требуется проводить многовариантные расчеты, которые должны проводиться в режиме диалога, а при определении характеристик сети нужно располагать соответствующими вспомогательными моделями и алгоритмами их расчета. Следовательно, при моделировании корпоративной сети должна быть обеспечена возможность проведения таких вычислений.

Решение поставленной научной задачи на основе многоуровневого

моделирования во многом определяет конечный результат процессов разработки корпоративных телекоммуникационных сетей, позволяя наиболее полно и эффективно учитывать сетевые параметры, обеспечивая уже на ранних стадиях реализации конкретной сети достижение необходимого уровня качества.

При решении данной научной задачи автор в своих исследованиях опирается на труды российских и зарубежных ученых, которые внесли большой вклад в развитие телекоммуникационных сетей - Л.Клейнрок, А.Гарсиа-Диас, В.М.Вишневский, А.И.Герасимов, А.И.Русаков, А.Н.Назаров, Ю.В.Семенов, В.Столлингс, Г.П.Башарин, Г.Хелд, Д.Г.Михалев, Д.Филлипс, И.А.Мизин, О.И.Бронштейн, С.Фейт, Эд.Уилсон и другие ученые.

Проводимые исследования актуальны как в настоящее время, так и на обозримую перспективу развития сетей телекоммуникаций.

Цель и задачи исследований

Цель исследования заключается в повышении эффективности процессов проектирования, функционирования, и развития корпоративных телекоммуникационных сетей за счет разработки новых моделей и алгоритмов, обеспечивающих многоуровневое моделирование корпоративных телекоммуникационных сетей, формирование множества возможных решений на основе графовой модели сети и выбор базового варианта сети из множества полученных рациональных вариантов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1) проанализировать тенденции развития телекоммуникационных сетей и определить особенности современной корпоративной телекоммуникационной инфраструктуры; провести анализ проблем моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей, выявить предъявляемые к ним требования и определить критерии оценки качества, а так же требования, предъявляемые к моделям таких сетей;

2) разработать многоуровневую графовую модель корпоративной телекоммуникационной сети и алгоритм ее реализации;

3) разработать алгоритм формирования возможных вариантов сети на основе многоуровневой графовой модели;

4) разработать алгоритмы анализа графовой модели сети; расчета сетевых параметров; выбора базового варианта сети из множества рациональных вариантов;

5) разработать методику оценки обобщенного показателя точности многоуровневой графовой модели сети;

6) разработать программное обеспечение, реализующее процесс многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей.

Объект исследования - корпоративные телекоммуникационные сети.

Предметом исследования являются методы и модели анализа, исследования и моделирования масштабных гетерогенных корпоративных телекоммуникационных сетей.

Методы исследования. В работе использованы методы теории сложных систем, теории графов, систем и сетей массового обслуживания, методы математического моделирования, принятия решений и оптимизации, теория вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) разработана многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети и алгоритм ее реализации, которая позволяет эффективно моделировать как сеть в целом, так и ее элементы и проводить многовариантные расчеты;

2) разработан алгоритм формирования возможных сетевых вариантов на основе многоуровневой графовой модели корпоративной телекоммуникационной сети, который определяет процесс разработки и конечный результат создания сети;

3) разработаны алгоритмы анализа графовой модели сети и расчета сетевых параметров, с помощью которых можно эффективно решать поставленные перед проектировщиками сетей задачи, при сокращении требуемых вычислительных ресурсов;

4) разработан алгоритм выбора базового варианта корпоративной телекоммуникационной сети, позволяющий проводить моделирование в режиме диалога и использовать при этом творческие возможности проектировщика.

Практическая значимость работы состоит:

□ в создании программного обеспечения, реализующего процесс многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей;

□ в разработке методических материалов по моделированию телекоммуникационных сетей;

□ в возможности использования разработанного математического аппарата в автоматизированных системах проектирования телекоммуникационных сетей;

5

□ результаты диссертационной работы могут быть полезны сетевым администраторам, так как позволяют проводить исследования и анализ сетей, оценивать необходимые сетевые параметры и характеристики.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1) многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети и алгоритм ее реализации;

2) алгоритм формирования возможных сетевых вариантов на основе многоуровневой графовой модели сети;

3) алгоритмы анализа графовой модели и расчета параметров корпоративной телекоммуникационной сети;

4) алгоритм выбора базового варианта сети.

Реализация результатов диссертационной работы

Основные результаты исследований использовались:

- в ФГУП Межотраслевой НИИ «Интеграл», что позволило эффективно оптимизировать сеть предприятия с учетом решаемых задач и улучшить технические характеристики сети;

- в ЗАО DATATEL, что позволило увеличить производительность сети на 15%;

- в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)» при изучении дисциплин «Моделирование компьютерных сетей и телекоммуникационных систем», «Вычислительные системы», «Теория проектирования систем и сетей», «Методы оптимизации» при подготовке специалистов, бакалавров и магистров по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника» и специальности 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы опубликованы в рецензируемых научно-технических журналах, докладывались и обсуждались:

□ на международной научно-технической конференции «International conference in informatization and telecommunication», Ruen (France), 2011;

□ на заседаниях научно-технического совета МНИИ «Информика»;

□ на научном семинаре кафедры «Вычислительные системы и сети» МИЭМ. Достоверность научных результатов подтверждается:

□ данными об успешном практическом применении результатов диссертации при разработке сетей;

□ корректностью вывода математических зависимостей для расчета сетевых параметров и характеристик;

□ полученные научные результаты обеспечены математическими доказательствами или экспериментальной проверкой и согласованы с имеющимися результатами других авторов, опубликованными в отечественной и зарубежной литературе.

Приоритет практических решений подтвержден авторскими свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ и базы данных.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений.

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 15 публикациях, в том числе: в 3 статьях, опубликованных в журналах, входящих в перечень ВАК России, 4 статьях в других рецензируемых изданиях, 4 доклада в трудах международной конференции, 1 учебно-методической работе, зарегистрировано 3 объекта интеллектуальной собственности. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль при постановке задачи, разработке метода ее решения и обобщении полученных результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и значимость работы, сформулирована основная цель, научная новизна и практическая значимость результатов, приведено краткое описание структуры работы.

В первой главе проведен анализ состояния и перспектив развития телекоммуникационных сетей. Исследованы процессы конвергенции и интеграции компьютерных и телекоммуникационных сетей, а также тенденции развития телекоммуникационных сетей. Исследованы характеристики корпоративных телекоммуникационных сетей, определены, предъявляемые к таким сетям требования и основные критерии оценки их качества. Проанализирован опыт создания сетей в нашей стране и за рубежом, который указывает на целесообразность проведения моделирования корпоративных

телекоммуникационных сетей с использованием теории сложных систем на основе многоуровневого представления, где сеть представляется иерархической системой.

Дано формальное описание научной задачи и определены этапы ее решения. Показано, что средством решения поставленной научной задачи является многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети, которая позволяет проектировщикам наглядно увидеть связи, а методы теории графов - эффективно проводить оптимизацию, анализировать отдельные подграфы и сеть в целом.

Во второй главе представлена разработанная многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети. Приводится определение такой сети - как иерархической системы нескольких взаимодействующих уровней, соответствующих определенному классу практических задач моделирования и разработки с учетом критериев оценки качества. Сформулированы основные характеристики графовой модели. Выявлена взаимозависимость критериев оценки качества для каждого уровня иерархии корпоративной сети, представлено отображение задач разработки на многоуровневую сетевую архитектуру:

Уровень Сети Название Уровня Номера, подклассы задач 1-го и 2-го типов с учетом критериев оценки качества

1 Компьютеры 1. Расчет производительности 1-го уровня 2. Расчет максимальной надежности 1-го уровня 2.1. Надежность работы сервера 3. Определение расширяемости 1-го уровня 4. Определение максимальной управляемости 1-го уровня 5. Определение максимальной совместимости 1-го уровня

6 Приложения конкретной предметной области 37. Расчет производительности сети для 6-го уровня 37.1. Среднее время решения прикладных задач 44. Совместимость сети для 6-го уровня

Уровни корпоративной сети соответствуют классам решаемых задач. Расчет критериев оптимизации - это подклассы задач 1 типа (Z, - основные задачи). Расчет времени задержки распространения сигнала по кабелю, выбор оборудования и т.д. - подклассы задач 2 типа (z'j - частные задачи). В подклассы задач 1-го типа могут входить частные задачи z'jeZ;.

Иерархическая система задач представляется следующим образом:

Zn '■ {Z37, ...,ZP,..., Z44} => XkP£r,

Zee'■ {Z29, ■•■, Zss, ..., Z36} =>X pr,

Zcy£M-{Z2l, ■■■>Zsubd, ...,Z2g}=> X " pr, (1)

Zoe-{Zu, •••> ZoSi • • • ? Z20}=> x pr, Ztc'-{Z6, ■■■, Zts,..., Zn}=> X JZk'.{Z\, .Zkomp, ..Z5j => X omppr.

где Xhpr - решение для соответствующего уровня сети. Причем:

Zp'.{ Х*рГ, 1, „} => K^g,

Zss: {X*pr, .....¿sb} => К g,

Zsubd- {

Z0s- {*V> Z 1, ..., Z w} => К g, Zts'■ { X*pr, 2? 1> ■••! x} К gi ^ ^komp• { X*pn ^ ^ 1, . ■^у} => К g.

где X*pr - дополнительные параметры сети X*prcXpr, Xpr - все параметры сети, K"s - критерии оценки качества для каждого уровня иерархии.

Графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети имеет:

□ 6 уровней иерархии (вершины Zк - задачи, решаемые на 1-м уровне сети -уровне компьютеров, Zrc - задачи для 2-го уровня - транспортной системы, Z0c - 3-го уровня ОС, 7-субд - 4-го уровня - СУБД, ZCc - 5-го уровня -системных сервисов, Ъп - 6-го уровня - приложений конкретной предметной области, т.е. вершины ZK,..,Zn определяют классы задач);

Г! 44 вершины Zb...,ZpyZss,ZsM,Zns,Zts,Zkomp,...,Z„.., ,Z44 - подклассы задач 1 типа с учетом критериев оценки качества для каждого уровня K"g;

□ N-e число вершинzbm/'1 ,... ,zy,...,/„ - подклассов задач 2 типа.

На рис.1 в виде ориентированного графа G=(Z,L) представлена

многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети.

и

Граф G - является мультиграфом. Множество вершин графа Zu~ YZ, (и - число

уровней сети) соответствуют задачам разработки сетей Zu, Z,- и z'j.

Множество дуг - L включает: Хрг - множество параметров сети и информационных связей - Я. В процессе моделировании осуществляется декомпозиция структуры графовой модели сети на подсети и затем проводится анализ графовой модели всей сети.

Информационные связи преобразуются в булеву матрицу nxrt - H-\\hgi\\m„, элемент матрицы hgi характеризует информационные связи задач gnl, где

il, если задача отнесена к классу (подклассу задач), Л*=1п (3)

10, в противном случае

Рис. 1. Граф в=(2, Ц

Составной критерий оценки качества сети представляет собой множество К={К"ь ..., ¡С;,}, 1< g<8. Для каждого варианта решения, состоящего из п

задач, относящихся к и классам (/ - для подклассов 1-го и 7 - для подклассов 2-го типа) задач разработки сетей справедливы условия:

¿^=1, и=1,...,б и 1=1,..., 44. (4)

ы м

(5)

ын

Условия (4) означают, что каждая задача отнесена к одному классу (или подклассу), (5) - определенное количество задач в классе (подклассе) не может быть более N.

В зависимости от задач разработки в графовую модель сети могут быть введены дополнительные вершины. В данной главе представлен разработанный алгоритм классификации, реализующий свойство развития модели, который позволяет вносить изменения и дополнения в графовую модель сети. В основу алгоритма положен метод многоальтернативного распознавания многомерных образов с использованием критерия максимального правдоподобия, так как этот критерий допускает простое и транзитивное обобщение на многоальтернативный случай. Принятие решения о классификации новой задачи сводится к определению меры ее вероятностной близости к тому или иному классу (подклассу) имеющих в графовой модели задач, т.е. вершин графа.

Разработан эффективный алгоритм анализ графовой модели сети, который позволяет осуществлять декомпозицию структуры многоуровневой графовой модели сети с учетом числа разрываемых связей, анализировать отдельные подграфы, устанавливать и анализировать множественные связи и параметрические зависимости между вершинами (задачами) графа.

Представлены формулы и алгоритмы расчета основных параметров корпоративных телекоммуникационных сетей для каждого уровня иерархии.

Г Для 1-го уровня представлено решение задачи оценки аппаратурной надежности корпоративной сети. Вероятность безотказной работы какого-либо устройства корпоративной телекоммуникационной сети:

Рт{х)=Р1(у,)Р,(уг\у1)-Р^-(6)

где РуСУу) - безусловная вероятность выполненияу'-го условия работоспособности, Рт(Ук\У\>—<Ук-\) - условная вероятность выполнения к-то условия работоспособности, £е[2,т], Т - заданный интервал времени функционирования сетевого элемента.

В случае независимых Уд. (/ = 1 ,т) эта вероятность

РТ(х) = ^(у,( х)), (7)

н

где у/х) - номинальные значения выходных параметров, Pj{yi{x)) - вероятность выполненияу'-го условия работоспособности.

Коэффициент оперативной готовности сети - это вероятность того, что сеть работоспособна в произвольный момент времени и безотказно проработает заданное время t0: Когот = Р(Г „у~Кгт = ехр(- 10)'Ктт, (8)

где )=ехр(-1) - функция распределения безотказной работы сети.

Коэффициент готовности сети:

(9)

(=1

где /у - число локальных сетей (локальная сеть бухгалтерии, производственного отдела и т.д.); - число элементов (устройств) сети, используемых в /-й локальной сети; РГ1 - вероятность того, что элемент / -й локальной сети находится в рабочем состоянии.

При расчете надежности устройств корпоративной сети можно оперировать не случайными процессами изменения выходных параметров, а их экстремальными значениями, что позволяет упростить математическую формализацию задачи оптимизации параметрической надежности и ее решение.

I Для 2-го уровня - представлен расчет задержки передачи сообщений в сетях. Пусть сеть состоит из М каналов с пропускной способностью /'-го канала равной 8РкамЛ (байт в секунду), имеются очереди к каналам и задержки при передаче, трафик поступает в сеть из внешних источников со средним значением Ож (сообщений в секунду) для тех сообщений, которые возникают в узле у и предназначаются для узла к, тогда полный внешний трафик, поступающий в сеть,

К N

равен: Г = ЕХ>д (Ю)

.М ».I

При проектировании сетей интерес представляет общая средняя задержка сообщения - и средняя величина гхф (задержка сообщения, которое

возникло ву и имеет место назначения к). Эти две величины связаны равенством:

М М у

= (Н)

м *=1 7

так как доля /7*//7 полного входящего трафика имеет в среднем задержку, равную и.ф- Равенство (11) представляет разложение сети по парам источник - адресат.

П Для 3-го уровня сети - представлен расчет реакции ОС при решении корпора1ивных задач.

□ Для 4-го уровня сети - приводится решение задачи оценки среднего времени выполнения СУБД запросов к РБД при оптимизации размещения файлов и обработки запросов к СУБД.

□ Для 5-го уровня - решена задача рационального распределение системных сервисов в соответствии с сетевыми ресурсами.

□ Для 6-го уровня - представлен расчет среднего времени решения корпоративных задач конкретной предметной области. Среднее время решения задач tcp равно сумме среднего процессорного времени решения t¡ задачи a¡ и среднего времени обмена с внешней памятью f0/:

tcp = a,ti + toi (12)

Время, необходимое для обработки данных в прикладной системе в среднем:

(13)

ы

где ~ - общая интенсивность обмена, ,■ - интенсивность обмена (бит/с) задачи а, с клиентским компьютером.

В данной главе предложены - алгоритм формирования возможных вариантов сети на основе многоуровневой графовой модели и алгоритм согласования сетевых параметров, которые позволяют учитывать единицы измерения входных и выходных параметров сети при решении различных задач моделирования и определяющие процесс и конечный результат разработки сети. Общая схема формирования альтернативных вариантов сети и выбор базового решения - XprBAZ представлена на рис. 2.

Разработана эффективная методика оценки обобщенного показателя точности многоуровневой графовой модели корпоративной телекоммуникационной сети. Показатель складывается из единичных информационных показателей погрешности по каждой переменной (задачи), значения которых в большинстве случае определятся методом ранговой

N

корреляции (это зависит от задачи разработки): D^ = X »а,™ > (14)

где 0 < D, шкпи < 1 - нормативная погрешность решения составляющих задач разработки для конкретной сети.

Требования, предъявляемые к сети

Постановка задачи

разработки корпоративной сети

Многоуровневая графовая модель сети

/

Множество

возможных

вариантов сети

( \

Оценка полученных результатов (методы принятия решений)

Рис. 2. Формирование множества возможных вариантов сети

В третьей главе определены и проанализированы условия принятия принятие технических решений в процессе многовариантного моделирования корпоративной телекоммуникационной сети на основе графовой модели. Представлен алгоритм выбора базового варианта сети - ХргВА2.

Исследование подходов для решения задачи выбора варианта корпоративной телекоммуникационной сети в процессе ее моделирования в условиях неопределенности исходной информации показал целесообразность двухэтапного процесса принятия решения. На первом этапе определяется множество рациональных сетевых решений, на втором - принимается базовый вариант сети. Для этого наиболее эффективным является использование метода анализа платежных матриц с выделением главного критерия и метода минимального расстояния, соответственно.

Алгоритма выбора базового варианта корпоративной сети

1 шаг. Математическая формулировка задачи.

2 шаг. Определение множество рациональных сетевых вариантов на основе метода анализа платежных матриц с выделением главного критерия.

3 шаг. Принятие базового варианта сети с помощью экспертных процедур (метод минимального расстояния).

1. Анализ геометрического представления ранжировочных оценок, даваемых экспертами.

2. Выделение числовой оси гиперпространстваV из п альтернатив -

3. Определение суммарной оценки: V, (К(Хрг)) е Агё шш{Ё УеПАеО, где У0(К(Хрг)) - искомая оценка, т.е.

ранжировка, выступающая в качестве аргумента, минимизирующего сумму расстояний 8\ 8 - расстояние между ранжировками; К; - ранжировка/-го эксперта; П- множество всех возможных нестрогих ранжировок, задаваемых матрицами У=(\'аь), в которых уа4=1, только тогда, когда 0)а>0)ь, Vaь=Л, когда СО„<Юь, УаЬ=0,

когда юа ~юь и Ь = 1,п..

4. Определение расстояние между ранжировками - если У\=(т?хаъ) и Уг=(^аь) Две ранжировки, то

аз)

5. Проверка условий:

- если ранжировки совпадают (У\=Уг, т.е. чуаЬ = у2аЬ), то 8 (У\,У?)=0;

- расстояние между ранжировками всегда неотрицательно 8 (Гь^2)>0;

- расстояние не зависит от направления измерения 8 (У^Уг)- 8(Рг,^);

- минимальное положительное расстояние между двумя ранжировками равно 1;

- расстояние 8 не зависит от того, как пронумерованы альтернативы, т.е. расстояние 8 инвариантно относительно одинаковых перестановок альтернатив внутри ранжировок;

для расстояния реализуется «правило треугольника» 8(У1,У2)+^(УиУ3)>8(УиУ3),

равенство справедливо только тогда, когда ранжировка У3 находится между Уг и Уи т.е. ¿сь^аЬ^аЬ или аь5:^аЬ—^аЬ для всех а и Ь.

6. Ранжировка, сумма расстояний до которой от всех ранжировок экспертов минимальна, называется медианой Кемени-Снелла, которая является - ХргВА2. 5 шаг. Окончание работы алгоритма.

Алгоритм, требует небольшого объема программной реализации системы, производящей анализ и выбор альтернативных сетевых вариантов.

В четвертой главе диссертации приведены экспериментальные результаты реализации, предложенных алгоритмов многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей. Представлена разработанная система многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей, которая является практическим подтверждением решения поставленной научной задачи. Приводятся состав, технические характеристики и этапы функционирования разработанной системы. Основными принципами разработки программного обеспечения (ПО) системы являются системное единство, развитие, совместимость и стандартизация. Соответствие этим принципам обеспечивает: высокое качество функционирования системы; получение в принятой форме концептуальных сетевых решений; удобство освоения и сопровождения ПО; полноту диагностических сообщений, ориентированных на пользователей; защищенность программ и данных от несанкционированного доступа; полноту документации. Результаты экспериментального исследования ПО системы показали, что временные характеристики системы определяются сложностью корпоративных сетей и количеством критериев оценки их качества.

Обосновано практическое применение, разработанного математического аппарата в системах автоматизированного проектирования сетей.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.

В приложениях приводятся результаты экспериментальной проверки разработанного теоретического аппарата, а также акты использования результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ перспектив и тенденций развития корпоративных телекоммуникационных сетей, исследованы характеристики таких сетей, определены предъявляемые к ним требования.

2. Разработана многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети и алгоритм ее реализации. Множество вершин модели соответствуют задачам разработки сетей, множество дуг включает параметры сети и информационные связи. Графовая модель позволяет эффективно моделировать сети и сетевые элементы, проводить многовариантные расчеты, принимать стратегические решения как для отдельных уровней иерархии или отдельной задачи, так и для всей сети, требуя меньше вычислительных ресурсов.

3. Разработан алгоритм формирования возможных сетевых вариантов на основе графовой модели, определяющий процесс и конечный результат разработки сети.

4. Разработаны алгоритмы расчета параметров корпоративных сетей по каждому уровню иерархии. Алгоритмы эффективны с точки зрения требующихся вычислительных ресурсов; эксперименты показали, что их погрешность лежит в пределах 2-5%.

5. Разработан алгоритм выбора базового варианта сети, позволяющий из множества имеющихся рациональных выбрать базовый вариант сети, используя при этом творческие возможности проектировщика. Алгоритм не предъявляет высоких требований к программной реализации системы, производящей анализ и выбор альтернативных вариантов, позволяет оптимизировать выбор базового варианта сети, при этом, сократив сроки и затраты на создание сетей от 15% до 45% в зависимости от решаемых задач.

6. Разработано программное обеспечение, реализующее процесс многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей, являющееся практическим подтверждением решения поставленной научной задачи. Применение разработанного ПО позволяет сократить сроки моделирования и разработки сетей: при практическом использовании результатов работы удалось повысить эффективность функционирования сети ФГУП МНИИ «Интеграл» на 20%, а производительность сети ЗАО DATATEL - на 15%. Полученные значения к качеству сетевых услуг реальных сетей для различных типов информации полностью соответствуют требованиям согласно рек. МСЭ-Т G.1010.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК

1. Проферансов Д.Ю., Сафонова И.Е. Многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети // Телекоммуникации. - 2011. - № 11. -С. 2-5.

2. Проферансов Д.Ю. Задержка передачи сообщений в корпоративных телекоммуникационных сетях // Телекоммуникации, - 2011. - № 12. - С. 2 - 4.

3. Проферансов Д.Ю., Иванов В.В. Оценка характеристик телекоммуникационных корпоративных сетей на основе VPN // Качество. Инновации. Образование. - 2011. -№ 11. - С. 79 - 82.

Авторские свидетельства, статьи, доклады, учебно-методические разработки

4. Иванов В.В., Проферансов Д.Ю., Сафонова И.Е. Система многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей // Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2011617165 от 14.09.2011. -Москва. - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

5. Проферансов Д.Ю., Сафонова И.Е. Расчет и оценка параметров корпоративных телекоммуникационных сетей // Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2011617166 от 14.09.2011. - Москва. -Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и тов. знакам.

6. Иванов В.В., Проферансов Д.Ю., Сафонова И.Е. База данных параметров моделей корпоративных телекоммуникационных сетей // Свидетельство об официальной регистрации Базы данных № 2011620652 от 14.09.2011. - Москва. -Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

7. Сафонова И.Е., Проферансов Д.Ю., Иванов В.В. Иерархическое представление корпоративной телекоммуникационной сети. Proceedings of Fifth International Conference «Information and Telecommunication Technologies in Intelligent systems», France, 2011, p.32-34.

8. Проферансов Д.Ю. Вероятностные модели расчета аппаратурной надежности корпоративных телекоммуникационных сетей //Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: сб. науч. трудов. / Моск. институт электроники и математики - техн. ун-т. - М.: МИЭМ, - 2011. - С.56-60.

9. Сафонова И.Е., Проферансов Д.Ю. Критерии оптимизации корпоративных телекоммуникационных сетей //Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии: сб. науч. трудов. / Моск. институт электроники и математики - техн. ун-т. - М.: МИЭМ, - 2011. - С.76 - 80.

10. «Настройка Ethernet с IP-интерфейсом на маршрутизаторах фирмы NSG» / Методические указания к лабораторной работе покурсу «Моделирование компьютерных сетей и телекоммуникационных систем» / Моск. институт электроники и математики - техн. ун-т. - М.: МИЭМ, 2011, 12с. (ISBN 978-594506-284-9).

Подписано в печать 22.02.2012 г. Формат 60x90 1/16 Печать наризсмрафе. Тираж 100 экз. Заказ № 7009. Объем: 1,0 усл. п.л.

Отпечатано в типографии ООО "Алфавит 2000", ИНН: 771В532212, г. Москва, ул. Маросейка, д. 6/8, стр. 1, т. 623-08-10, www.alfavit2000.ru

61 12-5/2097

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

(МИЭМ)

На правах рукописи

ПРОФЕРАНСОВ Дмитрий Юрьевич

АЛГОРИТМЫ МНОГОУРОВНЕВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КОРПОРАТИВНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Доктор технических наук Лакаев A.C.

Научный консультант доктор технических наук Сафонова И.Е.

Москва 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................5

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ МОДЕЛИРОВАНИЯ КОРПОРАТИВНЫХ СЕТЕЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ.....................15

1.1. Особенности современной корпоративной

телекоммуникационной инфраструктуры........................................15

1.2. Критерии оценки качества корпоративных

телекоммуникационных сетей......................................................18

1.3. Обзор и анализ систем моделирования и разработки сетей.............21

1.4. Проблемы моделирования корпоративных

телекоммуникационных сетей......................................................25

1.4.1. Требования, предъявляемые к моделям современных корпоративных сетей.........................................................25

1.4.2. Подходы к решению задач моделирования сетей...............26

1.4.3. Многоуровневое представление корпоративных телекоммуникационных сети в процессе моделирования............30

1.5. Формальное описание задачи моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей......................................................32

1.6. Этапы решения поставленной научной задачи.............................35

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1................................................................39

ГЛАВА 2. МНОГОУРОВНЕВАЯ ГРАФОВАЯ МОДЕЛЬ КОРПОРАТИВНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ...............41

2.1. Иерархическое представление корпоративной

телекоммуникационной сети........................................................41

2.2. Взаимозависимость критериев оценки качества

при многоуровневом представлении корпоративной сети....................43

2.3. Графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети........47

2.3.1. Основные свойства графовой модели сети........................47

2.3.2. Разработка многоуровневой графовой модели корпоративной телекоммуникационной сети............................48

2.3.3. Реализации свойства развития графовой модели сети.........55

2.4. Анализ графовой модели корпоративной телекоммуникационной сети в процессе многовариантного синтеза сетевых решений...............60

2.5. Расчет основных параметров корпоративных

телекоммуникационных сетей......................................................71

2.5.1. Оценка аппаратурной надежности корпоративной сети.......72

2.5.2. Задержка передачи сообщений в корпоративных телекоммуникационных сетях...............................................75

2.5.3. Время реакции ОС при решении корпоративных задач........78

2.5.4. Оценка среднего времени выполнения СУБД запросов к РБД при оптимизации размещения файлов

и обработки запросов к СУБД...............................................81

2.5.5. Рациональное распределение системных сервисов

в соответствии с сетевыми ресурсами.....................................83

2.5.6. Среднее время решения корпоративных

задач конкретной предметной области....................................85

2.6. Формирование альтернативных вариантов сети на основе многоуровневой графовой модели................................................87

2.7. Обобщенный показатель оценки точности многоуровневой

графовой модели корпоративной телекоммуникационной сети..... ........93

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2................................................................96

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМЫ ПРИНЯТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ВЫБОРУ БАЗОВОГО ВАРИАНТА КОРПОРАТИВНОЙ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ..........................................98

3.1. Принятие технических решений в процессе многовариантного

моделирования корпоративной телекоммуникационной сети

на основе графовой модели..........................................................98

3.2. Условия принятия технических решений.................................100

3.3. Принятие решений в условиях неопределенности

исходной информации о сети..................... .................................100

3.3.1. Анализ особенностей задачи................ .......................100

3.3.2. Формирование множества рациональных

сетевых вариантов............................................................104

3.4. Этапы решения задачи выбора базового варианта корпоративной телекоммуникационной сети в условиях

неопределенности исходной информации......................................106

3.5 Разработка алгоритма выбора базового варианта

корпоративной телекоммуникационной сети..................................115

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3...............................................................119

ГЛАВА 4. СИСТЕМА МНОГОУРОВНЕВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КОРПОРАТИВНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ..........120

4.1. Требования, предъявляемые к программному

обеспечению системы..............................................................120

4.2. Состав и технические характеристики системы..........................121

4.3. Основные этапы функционирования системы многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей............123

4.4. Экспериментальное исследование разработанного программного обеспечения.........................................................130

4.5. Использование разработанных алгоритмов и моделей

в системах автоматизированного проектирования сетей....................131

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4...............................................................135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................136

ЛИТЕРАТУРА........................................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ А «Результаты экспериментальной проверки»..........150

ПРИЛОЖЕНИЕ Б «Акты использования результатов диссертационной работы».........................................................156

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В настоящее время развитие телекоммуникационных технологий меняет подход к проектированию, построению и модернизации большинства корпоративных территориально-распределенных сетей, которые становятся все более сложными и масштабными с точки зрения их инфраструктуры и используемых сервисов. Проектируемые и строящиеся корпоративные сети нового поколения, как правило, основываются на концепции Broadband Convergence Network, предполагающей конвергенцию гетерогенных данных в единую сетевую среду. В тоже время большинство существующих моделей телекоммуникационных сетей из-за имеющихся ограничений позволяют решать лишь отдельные частные вопросы, поэтому актуальной научной задачей является разработка новых моделей таких сетей с целью улучшения их технических характеристик.

Как правило, корпоративная телекоммуникационная сеть включает в себя тысячи самых разнообразных компонентов и для ее эффективного моделирования такую сеть в большинстве случаев целесообразно представлять в виде иерархической многоуровневой структуры. Как показывает практика, разработчикам наиболее удобно представлять сеть с помощью графа, который позволяет наглядно увидеть связи, а методы теории графов - эффективно проводить оптимизацию, при этом имеется возможность анализировать как отдельные подграфы так и сеть в целом, а для этого необходима разработка графовой модели корпоративной телекоммуникационной сети.

При создании крупных территориально-распределенных сетей процесс их разработки и ввода в действие охватывает большой интервал времени и, соответственно, возникают проблемы создания сети как развивающейся системы. Необходимо учитывать рост потребностей

абонентов в переработке информации с течением времени, изменение технико-экономических характеристик средств сети, в ряде случаев отсутствие достоверных исходных данных. Для разрешения этих проблем требуется проводить многовариантные расчеты, которые должны проводиться в режиме диалога, а при определении характеристик сети нужно располагать соответствующими вспомогательными моделями и алгоритмами их расчета. Следовательно, при моделировании корпоративной сети должна быть обеспечена возможность проведения таких вычислений.

Решение поставленной научной задачи на основе многоуровневого моделирования во многом определяет конечный результат процессов разработки корпоративных телекоммуникационных сетей, позволяя наиболее полно и эффективно учитывать сетевые параметры, обеспечивая уже на ранних стадиях реализации конкретной сети достижение необходимого уровня качества.

При решении данной научной задачи автор в своих исследованиях опирается на труды российских и зарубежных ученых, которые внесли большой вклад в развитие телекоммуникационных сетей - Л.Клейнрок, А.Гарсиа-Диас, В.М.Вишневский, А.И.Герасимов, А.И.Русаков, А.Н.Назаров, Ю.В.Семенов, В.Столлингс, Г.П.Башарин, Г.Хелд, Д.Г.Михалев, Д.Филлипс, И.А.Мизин, О.И.Бронштейн, С.Фейт, Эд.Уилсон и другие ученые.

Проводимые исследования актуальны как в настоящее время, так и на обозримую перспективу развития сетей телекоммуникаций.

Цель и задачи исследований

Цель исследования заключается в повышении эффективности процессов проектирования, функционирования, и развития корпоративных телекоммуникационных сетей за счет разработки новых моделей и алгоритмов, обеспечивающих многоуровневое моделирование корпоративных телекоммуникационных сетей, формирование множества возможных решений на основе графовой модели сети и выбор базового варианта сети из множества полученных рациональных вариантов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1) проанализировать тенденции развития телекоммуникационных сетей и определить особенности современной корпоративной телекоммуникационной инфраструктуры; провести анализ проблем моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей, выявить предъявляемые к ним требования и определить критерии оценки качества, а так же требования, предъявляемые к моделям таких сетей;

2) разработать многоуровневую графовую модель корпоративной телекоммуникационной сети и алгоритм ее реализации;

3) разработать алгоритм формирования возможных вариантов сети на основе многоуровневой графовой модели;

4) разработать алгоритмы анализа графовой модели сети; расчета сетевых параметров; выбора базового варианта сети из множества рациональных вариантов;

5) разработать методику оценки обобщенного показателя точности многоуровневой графовой модели сети;

6) разработать программное обеспечение, реализующее процесс многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей.

Объект исследования - корпоративные телекоммуникационные

сети.

Предметом исследования являются методы и модели анализа, исследования и моделирования масштабных гетерогенных корпоративных телекоммуникационных сетей.

Методы исследования. В работе использованы методы теории сложных систем, теории графов, систем и сетей массового обслуживания, методы математического моделирования, принятия решений и оптимизации, теория вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) разработана многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети и алгоритм ее реализации, которая позволяет эффективно моделировать как сеть в целом, так и ее элементы и проводить многовариантные расчеты;

2) разработан алгоритм формирования возможных сетевых вариантов на основе многоуровневой графовой модели корпоративной телекоммуникационной сети, который определяет процесс разработки и конечный результат создания сети;

3) разработаны алгоритмы анализа графовой модели сети и расчета сетевых параметров, с помощью которых можно эффективно решать поставленные перед проектировщиками сетей задачи, при сокращении требуемых вычислительных ресурсов;

4) разработан алгоритм выбора базового варианта корпоративной телекоммуникационной сети, позволяющий проводить моделирование в режиме диалога и использовать при этом творческие возможности проектировщика.

Практическая значимость работы состоит:

- в создании программного обеспечения, реализующего процесс многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей;

- в разработке методических материалов по моделированию телекоммуникационных сетей;

- в возможности использования разработанного математического аппарата в автоматизированных системах проектирования телекоммуникационных сетей;

- результаты диссертационной работы могут быть полезны сетевым администраторам, так как позволяют проводить исследования и анализ сетей, оценивать необходимые сетевые параметры и характеристики.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1) многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети и алгоритм ее реализации;

2) алгоритм формирования возможных сетевых вариантов на основе многоуровневой графовой модели сети;

3) алгоритмы анализа графовой модели и расчета параметров корпоративной телекоммуникационной сети;

4) алгоритм выбора базового варианта сети.

Реализация результатов диссертационной работы

Основные результаты исследований использовались:

- в ФГУП Межотраслевой НИИ «Интеграл», что позволило эффективно оптимизировать сеть предприятия с учетом решаемых задач и улучшить технические характеристики сети;

- в ЗАО БАТАТЕЬ, что позволило увеличить производительность сети на 15%;

- в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)» при изучении дисциплин «Моделирование компьютерных сетей и телекоммуникационных систем», «Вычислительные системы», «Теория проектирования систем и сетей», «Методы оптимизации» при подготовке специалистов, бакалавров и магистров по направлению подготовки

230100 «Информатика и вычислительная техника» и специальности

230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы опубликованы в рецензируемых научно-технических журналах, докладывались и обсуждались:

• на международной научно-технической конференции «International conference in informatization and telecommunication», Ruen (France), 2011;

• на заседаниях научно-технического совета МНИИ «Информика»;

• на научном семинаре кафедры «Вычислительные системы и сети» МИЭМ.

Достоверность научных результатов подтверждается:

- данными об успешном практическом применении результатов диссертации при разработке сетей;

- корректностью вывода математических зависимостей для расчета сетевых параметров и характеристик;

- полученные научные результаты обеспечены математическими доказательствами или экспериментальной проверкой и согласованы с имеющимися результатами других авторов, опубликованными в отечественной и зарубежной литературе.

Приоритет практических решений подтвержден авторскими свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ и базы данных.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и двух приложений, содержит 27 рисунков и 8 таблиц. Основной текст диссертации изложен на 149 страницах.

В первой главе проведен анализ состояния и перспектив развития телекоммуникационных сетей. Исследованы процессы конвергенции и интеграции компьютерных и телекоммуникационных сетей, а также тенденции развития телекоммуникационных сетей. Исследованы характеристики корпоративных телекоммуникационных сетей, определены, предъявляемые к таким сетям требования и основные критерии оценки их качества. Проанализирован опыт создания сетей в нашей стране и за рубежом, который указывает на целесообразность проведения моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей с использованием теории сложных систем на основе многоуровневого представления, где сеть представляется иерархической системой.

Дано формальное описание научной задачи и определены этапы ее решения. Показано, что средством решения поставленной научной задачи является многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети, которая позволяет проектировщикам наглядно увидеть связи, а методы теории графов - эффективно проводить оптимизацию, анализировать отдельные подграфы и сеть в целом.

Во второй главе представлена разработанная многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети. Приводится определение такой сети - как иерархической системы

нескольких взаимодействующих уровней, соответствующих определенному классу практических задач моделирования и разработки с учетом критериев оценки качества. Сформулированы основные характеристики графовой модели. Выявлена взаимозависимость критериев оценки качества для каждого уровня иерархии корпоративной сети, представлено отображение задач разработки на многоуровневую сетевую архитектуру.

Разработан эффективный алгоритм анализ графовой модели сети, который позволяет осуществлять декомпозицию структуры многоуровневой графовой модели сети с учетом числа разрываемых связей, анализировать отдельные подграфы, устанавливать и анализир