автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Анализ и оптимизация работы коммуникационных узлов корпоративной телекоммуникационной системы

На правах рукописи

ЛАТЫШЕВ АНДРЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ КОММУНИКАЦИОННЫХ УЗЛОВ КОРПОРАТИВНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ

СИСТЕМЫ

Специальность 05.13.13 - Телекоммуникационные системы и

компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена на кафедре «Вычислительные системы и сети» Московского государственного института электроники и математики (технического университета)

Научный руководите:

доктор технических наук, профессор Саксонов Евгений Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кечиев Леонид Николаевич кандидат технических наук Федоров Константин Михайлович

Ведущая организация:

ФГУ Государственный НИИ информационных технологий и телекоммуникаций «Информика»

Защита диссертации состоится И 2005г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 212.133.03 при Московском государственном институте электроники и математики (МИЭМ): 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., дом 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ.

Автореферат разослан " " ¿0 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Леохин Ю.Л.

1Ь5ЬШ

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Информационные системы все более широко внедряются в государственных учреждениях и организациях, обеспечивая взаимодействие их подразделений, связь с внешними системами, автоматизацию деятельности по сбору и обработке информации, принятию решений.

Развитие информационных систем невозможно без создания необходимой телекоммуникационной среды, обеспечивающей требуемый уровень сервиса при передаче данных.

К настоящему времени разработано и внедрено большое количество технологий передачи данных, обеспечивающих необходимые скорости передачи, защиту и управление. Данные технологии поддерживаются производителями аппаратных и программных средств и обеспечивают разработчиков и потребителей телекоммуникационных систем необходимыми возможностями для решения задач формирования телекоммуникационной системы, возникающих в каждом конкретном случае.

Кроме того, на сегодняшний день сформировались вполне конкретные методы решения задач создания телекоммуникационных систем, предлагающие типовые, отработанные на практике решения. К таким решениям относится создание телекоммуникационных систем на базе коммуникационных узлов.

Коммуникационные узлы стали в настоящее время унифицированными средствами создания систем передачи данных. Они позволяют эффективно решать большинство возникающих при передаче данных задач управления, обеспечения надежности и безопасности в рамках единого подхода к формированию структуры телекоммуникационной

системы и согласованию работы ее узлов с учетом применяемого оборудования, программных средств, протоколов.

Однако требования к телекоммуникационным системам, в связи с развитием и интеграцией информационных систем, постоянно возрастают. Кроме того, развитие и совершенствование телекоммуникационных технологий и аппаратно-программных средств передачи данных способствует значительному увеличению возможных технических и технологических решений при создании коммуникационных узлов. Современная аппаратура связи, обеспечивающая комплексное решение проблем передачи данных (преобразование форматов и протоколов, маршрутизация, защита, фильтрация и т.д.), достаточно дорого стоит, поэтому требуется ее эффективное использование.

В связи с этим, разработчикам и администраторам телекоммуникационных систем требуются методы анализа и оптимизации принимаемых решений при выборе структуры и алгоритмов управления работой коммуникационных узлов и всей системы в целом.

Таким образом, актуальными являются проведенные в диссертации исследования, позволяющие обоснованно выбирать основные технологические и технические решения при создании и управлении работой коммуникационных узлов, как основных элементов телекоммуникационных систем.

Целью работы является создание методов и средств решения задач разработки и анализа коммуникационных узлов телекоммуникационных систем, позволяющих оценивать качество работы узлов, оптимизировать управление узлами по заданным параметрам.

На защиту выносятся: • результаты анализа современных методов построения крупных корпоративных информационных систем и соответствующих им телекоммуникационных систем;

• результаты анализа современного состояния корпоративной телекоммуникационной системы МВД РФ и направлений ее развития;

• результаты анализа методов построения и управления для иерархической системы коммуникационных узлов корпоративной телекоммуникационной системы большой размерности;

• комплекс математических моделей для анализа и оптимизации алгоритмов диспетчеризации потоков в коммуникационных узлах высокого уровня по заданным критериям качества;

• комплекс математических моделей для анализа и оптимизации алгоритмов разделения ресурсов между пользователями для коммуникационных узлов низкого уровня.

Научная новизна полученных результатов заключается в разработке, на основе обобщения известных результатов, методов анализа качества работы коммуникационных узлов, создании комплекса математических моделей для анализа и оптимизации алгоритмов управления работой узлов различного уровня по заданным критериям качества, соответствующих современным информационным технологиям, требованиям к безопасности и экономической эффективности.

Практическая ценность результатов диссертации состоит в создании методов, моделей и алгоритмов анализа и оптимизации алгоритмов управления для основных компонентов телекоммуникационной сети -коммуникационных узлов, практическая реализация которых приводит к улучшению характеристик работы узлов и всей системы в целом; позволяющих обоснованно выбирать параметры аппаратуры узлов различных типов для конкретных условий работы.

Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов диссертации основаны на обобщении и развитии известного опыта построения и анализа коммуникационных узлов телекоммуникационных систем, позволивших разработать математические модели и алгоритмы, учитывающие специфику работы узлов различного уровня и каналов связи в

рамках современных технологий передачи и обработки данных; на соответствии полученных результатов известным данным, опубликованным в отечественной и зарубежной печати и, наконец, на результатах практического применения разработанных алгоритмов и моделей при создании специализированных корпоративных информационных систем МВД РФ.

Методы исследований. При решении поставленных в диссертации задач применялись методы теории систем, теории очередей, теории вероятностей, теории множеств, математического программирования.

Реализаиия и внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке специализированных информационных систем МВД РФ:

- АИПС «Оружие МВД», выполненной в соответствии с Федеральной целевой программой по усилению борьбы с преступностью на 1999 - 2000 гг. и приказами МВД РФ;

- АИС «Антитеррор», выполненной в соответствии с приказами МВД

РФ.

Результаты работы использованы в учебном процессе в МИЭМ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на Международных конференциях «Информационные и телекоммуникационные технологии в интеллектуальных системах» (Барселона, Майорка - 2004, 2005 г.), XLI Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии (РУДН, 2005 г.), научно-технических семинарах МИЭМ, ИКТИ РАН (2003 - 2005 гг.), совещаниях в МВД РФ.

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 8 опубликованных печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка литературы. Общий объем диссертации 141 страница.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и проводимых исследований, описываются новизна, практическая значимость и реализация результатов работы.

В первой главе приводятся результаты анализа методов построения и особенностей работы современных крупномасштабных корпоративных информационных систем, объединяющих большое число локальных подсистем, обслуживающих большое число разнотипных пользователей.

Рассмотрены вопросы создания телекоммуникационной среды подобных информационных систем.

Приводятся результаты анализа телекоммуникационной системы МВД РФ и рассматриваются основные направления и перспективы ее развития.

Результаты анализа показали, что практически все информационные системы крупных Госучреждений являются интегрированными (корпоративными) распределенными системами, со всеми вытекающими отсюда последствиями по управлению, организации баз данных, обслуживанию пользователей, созданию телекоммуникационной инфраструктуры и т.д. Существенное влияние на основные принципы построения интегрированной информационной системы оказывают такие факторы как: специфика применения, определяющаяся решаемыми прикладными задачами и их масштабами, степень однородности интегрируемых подсистем, территориальная и организационная принадлежность источников и пользователей информации.

Обычно интегрированные распределенные системы, разделяют на типы: федеральные, региональные и отраслевые Однако такая классификация в основном определяется спецификой решаемых задач и категорией обслуживаемых пользователей, поэтому часто в рамках одной корпоративной системы можно увидеть черты различных типов систем.

Архитектура таких ИС представляет из себя, как правило, иерархическую интегрированную многоузловую информационную сеть, объединяющую абонентские (локальные, муниципальные или др.),

региональные, межрегиональные и федеральный уровни.

Наличие нескольких уровней обусловлено технологией возникновения, сбора, обработки и прохождения накапливаемой информации, в основном - с абонентского на федеральный уровень. Каждый из узлов системы представляет собой самостоятельную локальную сеть, обслуживающую конкретное подразделение, и снабженную прикладной информационной системой, в процессе функционирования которой осуществляется формирование и накопление собственной базы данных узла.

В архитектуре ИС можно выделить следующие основные технологические компоненты, необходимые для работы системы и представляющие интерес для исследований, проводимых в работе: многоуровневая телекоммуникационная среда обмена данными через технологические центры коммутации, обеспечивающие связи с внутренними и внешними информационными системами; подсистема управления санкционированным доступом разнородных пользователей к информационным ресурсам; подсистема администрирования; подсистема обеспечения информационной безопасности.

С учетом высоких требований к производительности и значительной территориальной распределенности подобные ИС базируются на многоуровневой архитектуре взаимодействия клиент-сервер (от трех уровней и выше).

Многоуровневая структура ИС может рассматриваться как унифицированная для широкого класса корпоративных систем различного назначения, однако унификация должна дополняться функциональной ориентацией для решения специальных прикладных задач той организации, для которой создается система.

Важной особенностью структуры системы является ее размерность - в состав системы входят тысячи компьютеров, сотни подсетей. При такой структуре системы возникает большое количество задач, связанных с разработкой ее архитектуры (протоколы и службы, система адресации и именования, выбор методов (специальных программных средств) поддержки

адресов и имен, протоколов) и телекоммуникационной среды.

Коммуникационной основой всех типов ИС являются системы связи и передачи данных. Они строятся на основе соблюдения международных стандартов и протоколов вхождения в связь, приема и передачи данных .

Выделены общие требования к способам и средствам связи для информационного обмена между компонентами ИС: ядром системы связи ИС должны быть специализированные коммуникационные узлы (телекоммуникационные центры); все рабочие места (АРМ) информационной системы должны действовать в единой вычислительной сети (Мегп^ЛШгапеО, по которой происходит весь обмен информацией между АРМ и корпоративными и локальными базами данных; АРМ системы должны иметь возможность функционировать в гетерогенных средах и на различных аппаратных и программных платформах.

Коммуникационные узлы должны соответствовать тем уровням, на которых они применяются, т.е. система коммуникационных узлов является иерархической:

- узлы нижних уровней могут состоять из одного или нескольких коммутаторов (узлы отдельных подразделений, небольших территорий и т.д.);

- узлы верхних уровней могут быть выполнены в виде локальных сетей, в состав которых помимо коммуникационного оборудования входят специализированные серверы, рабочие места администраторов.

Для обеспечения согласованной работы узлов необходимо организовать службу администрирования телекоммуникационной системы. Решение перечисленных задач возможно с привлечением современных средств администрирования и мониторинга.

Показано, что телекоммуникационная система МВД РФ, имеющая многоуровневую структуру, в полной мере удовлетворяет перечисленным требованиям, а основные направления ее развития связаны с созданием иерархической системы коммуникационных узлов для расширенйя

предоставляемых услуг, обеспечения гарантированного качества обслуживания, применения современных технологий передачи данных.

Во второй главе приводятся результаты анализа и обобщения задач, решаемых коммуникационными узлами (КУ) распределенных информационных систем, структуры таких узлов и методы организации их работы.

Приводятся основные сведения о современных технологиях передачи данных, создания каналов связи и администрирования, применяемых на коммуникационных узлах.

Основная задача КУ- организация и управление обменом данными между различными элементами информационной системы. Однако, поскольку ИС реализуется на базе вычислительной сети со сожной структурой, то КУ является также одним из компонентов вычислительной сети (коммуникационным узлом сети) и при этом задачей узла является также формирование структуры сети и обеспечение связи между станциями сети, связей станций сети с внешними сетями (системами).

Система КУ, обеспечивающая связь в распределенной информационной системе, имеет иерархический принцип построения и содержит узлы высокого уровня, которые решают системные задачи управления связью между сетями, входящими в состав корпоративной сети информационной системы, и узлы низкого уровня, которые решают в основном технические и оперативные задачи управления передачей данных внутри сетей, входящих в состав системы..

Основными системными задачами коммуникационных узлов являются: передача различных типов данных с заданными характеристиками качества; промежуточное хранение передаваемых данных в случае асинхронного взаимодействия источников и потребителей данных; сбор и обработка информации о текущем состоянии и проделанной работе источников и потребителей; контроль качества передаваемой информации; согласование требуемых режимов работы с другими коммуникационными

узлами; тиражирование данных; обеспечение безопасности при передаче данных, решение задач биллинга.

К техническим и оперативным задачам управления передачей данных относятся: маршрутизация передаваемых сообщений; управление сеансами связи между клиентами и серверами; преобразование формы представления данных при переходе с одной передающей среды на другую; исполнение и согласование протоколов передачи данных; буферизация данных для согласования скоростей приема и передачи, контроль качества передаваемых данных.

По результатам анализа разработана обобщенная структура телекоммуникационной среды, построенной на основе коммуникационных узлов, приведенная на рисунке.

Каналы связи корпоративной сети

Схема соответствует в основном узлам высокого уровня (коммуникационные центры). Узлы более низкого уровня отличаются составом оборудования и его характеристиками.

Для управления работой системы КУ необходима служба администрирования, для которой определены задачи локального и системного администрирования.

В третьей главе разработаны и исследованы математические модели, которые позволяют проводить расчет и оптимизацию характеристик работы коммуникационных узлов различного уровня. Модели учитывают технологии передачи данных (свойства обслуживаемых узлом каналов связи), возможности коммуникационного оборудования и алгоритмы обслуживания поступающих на узел потоков данных.

При построении моделей узел рассматривается либо как совокупность независимых обслуживающих устройств (серверов), на вход которых поступают потоки сообщений, распределяемых между этими устройствами, либо как одно устройство, с ограниченным ресурсом, разделяемым между потоками сообщений от различных пользователей, что соответствует случаю резервирования ресурсов в системах с гарантированным качеством обслуживания.

При моделировании работы узла как совокупности серверов с диспетчеризацией сообщений, исследуется система из N независимых обслуживающих устройств, на которые поступает М взаимнонезависимых потоков сообщений (М пользователей) с интенсивностями Л: (г = 1, 2,..., М). Описание общего потока задается вектором X ~ {Л,, Л2,..., Лм }.

Исследован алгоритм распределения потоков сообщений по обслуживающим устройствам, задаваемый функциями:

Т0,п) = {р,,,р,-2,...,рм}, гДе 0- Рт - вероятность того, что сообщение потока / будет направлено на обслуживающее устройство номер п, {(г, п) -вектор-строка. Алгоритм позволяет моделировать как стохастические, так и детерминированные частные случаи Если функции заданы для всех потоков

и устройств, то можно построить прямоугольную матрицу: Р = \рш |, размерности MxN, которая однозначно определяет алгоритм управления.

Длительность обслуживания сообщения потока номер i на обслуживающем устройстве номер п считается случайной величиной с функцией распределения Bm(t), имеющей конечные среднее значение О < Ь1и < <» и второй момент - 0 < Ь2т < °°.

В работе проведен анализ для случая, когда обслуживание всех типов сообщений на каждом устройстве происходит в порядке поступления (FIFO). Тогда все сообщения имеют одинаковое время ожидания в очереди (независимо от типа). Получаем в данном случае для СМО номер у.

I м м м

WJ Pj^IlWp.j здесь X,

1=1 1=1

соответствующий элемент вектора к, (j = 1, 2,..., N).

На основе этих результатов вычислены, значения показателей качества работы всей системы (всего узла): средняя величина затрат на пребывание

N

передаваемых сообщений в очередях на узле: F, - ^a.A.Wj ; загрузка узла:

)=1

N

F2=YPj\ комплексные затраты на эксплуатацию узла: )

JV Л'

=^aJAJWJ + bil-^Pj). Проведены расчеты характеристик системы I у=1

при реальных параметрах узлов для двух стратегий управления (двух матриц Р), которые показали, что от выбора матрицы существенно зависят значения показателей качества работы узла, что делает обоснованной постановку задачи оптимизации алгоритма.

В качестве модели работы узла в режиме разделения ресурса исследована система из К каналов, и М пользователей, у = (у,, К , ум ) -вектор интенсивностей потоков сообщений от пользователей. Время обслуживания сообщения в канале j имеет функцию распределения B/t).

Функционирование каждого канала описывается СМО М/С/1/оо, а всю систему можно рассматривать как совокупность данных СМО.

Исследованы две стратегии управления потоками - жесткое закрепление пользователей за каналами и стохастическая диспетчеризация сообщений.

В первом случае распределение пользователей по каналам связи

задается матрицей: И = |гу ||. Получен вектор интенсивностей потоков

— м

сообщений в каналах: ДБ.) - (Л, (Л),К (И)), где ^ (К) = .

1=1

При формировании матрицы И должны соблюдаться условия, предотвращающие перегрузку каналов: /7у(К) = Яу(И)&1; <1, где -

загрузка системы у.

Среднее число заявок в очереди на передачу в у канале определяется

по формуле: 0,(К) =—--, где Ъг, = г2 ¿8,(0-

* ^ ^ 2(1 - р) (Я)) I

Общие затраты на эксплуатацию сервера при заданной матрице И: К к

/=1 1=I

Задача определения оптимальной стратегии управления сводится к задаче определения матрицы И при ограничениях: К к

тш{2>,<2,(Ю + ХЬ;/>0,(К)}

]=1 1=1

Задачу можно решить методом направленного перебора с фильтрующими ограничениями.

Отдельно рассмотрен случай, когда сообщения (кадры), которые передаются в канал, имеют одинаковую длину й. При этом функционирование каждого канала описывается СМО МЛ)/1/со. Тогда, задача оптимизации алгоритма принимает вид:

к

хшп{2 к

а, ¿(26,+^)

ал

а У

}, при офаничениях:

«л/ м г

2л5л >о,

;=> 1=1 1=1 Приводятся примеры расчета показателей качества при различных матрицах К {М - 100, К = 5), которые показали, что затраты существенно зависят от того, каким образом направляется пользовательский трафик.

При стохастической диспетчеризации распределение задается вектором р = {р1, К ,рк), где р 1 - вероятность отправить сообщение в канал }. Этот вектор задает вероятности, одинаковые для всех пользователей.

Вектор интенсивностей потоков сообщений в каналах вычисляется по

м

Гц

— — I \

формуле: Мр)=(1(р),К Л(р)). где Л/р) = р , У=1Урк >?*/)

Исследован случай, когда сообщения (кадры) имеют одинаковую длину и при пропускной способности канала г, кадр передается за определенный интервал времени длительностью — с1 / г . Каждый канал тогда моделируется СМО МЛ)/1/оо.

Для определения оптимального вектора р решена задача с ограничениями:

к

ПШ1 {£

А

а. <Ц2Ь.+а]) Г

Ъ,------р, -

' 2 2г, '

а/)

МГ(Р] —Ц

г,>о,Р,<£

Для решения использован метод неопределенных множителей Лагранжа.

—о

Получено, что решением будет вектор р , где

при (/'=1-2,...,К). Здесь и

2 г,

¿Г

¿¿Г

Ч

находится решением уравнения: У ~ I — 1(2Ь; +aJ —~и ) — 1.

2 г.

ё.Г

Доказано, что эти точки р0 являются точками минимума.

Таким образом, построенная модель позволяет вычислить оптимальные значения параметров управления распределением ресурса КУ. Приведены примеры расчетов по модели для реальных значений параметров узла.

Показано, что полученные результаты можно применить для решения задачи поиска оптимальной матрицы И при жестком закреплении пользователей за каналами. Для этого необходимо, после нахождения

оптимальных значений вероятностей р^, определить Л° . После этого нужно подобрать матрицу К, задающую распределение пользовательского трафика так, чтобы интенсивности потоков кадров в каналах оказались равными .

В четвертой главе приведены результаты применения разработанных методов и моделей для создания телекоммуникационных систем и коммуникационных узлов специальных АИПС «ОРУЖИЕ-МВД» и «АНТИТЕРРОР».

В ходе выполнения работы получены следующие основные

1. Проведен анализ современных корпоративных информационных систем и выявлены присущие им общие черты, связанные с использованием иерархической структуры, построением телекоммуникационной системы, методами передачи данных по

Основные результаты работы

результаты.

(Р

каналам связи. По результатам анализа выделены типовые решения, которые наиболее часто используются при создании ИС и их телекоммуникационных систем.

2. Показано, что основными элементами при формировании структуры телекоммуникационных систем распределенных корпоративных ИС являются коммуникационные узлы различной степени сложности, что позволило определить в качестве объектов исследования коммуникационные узлы и алгоритмы управления их работой.

3. Проведен анализ современного состояния телекоммуникационных систем МВД РФ и направлений их развития с учетом специфики требований к предоставляемым сервисам при передаче данных, показавший, что одним из основных направлений развития является создание иерархической системы современных коммуникационных узлов, обеспечивающих необходимые скорость и безопасность при передаче данных.

4. Определены базовые структура и став коммуникационных узлов различного уровня, характеристики качества их работы и параметры управления. Выделены основные алгоритмы управления работой узлов, позволяющие распределять потоки данных между серверами узлов, распределять ресурсы узла между пользователями, обеспечивая заданное качество обслуживания.

5. Разработан комплекс математических моделей для расчета характеристик работы узлов различного уровня и оптимизации алгоритмов управления. Исследованы алгоритмы управления с дискретными и непрерывными параметрами, показаны возможности применения непрерывных параметров управления для решения задач дискретной оптимизации.

6. Приведены результаты практического применения разработанных в диссертации методов и моделей для формирования телекоммуникационных систем специализированных корпоративных ИСМВДРФ.

Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть

полезны разработчикам и администраторам распределенных

информационных систем, вычислительных сетей, узлов связи.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Барабанов С.А., Калинин П.Д., Латышев А.В. Системы передачи данных в АИПС «Оружие МВД». Специальная техника. Сб. Научных трудов ГУ НПО «СТиС» МВД России. - М.: 2001. С. 135-141.

2. Kalinin P.D., Latishev А V., Barabanov S.A. Data transition systems of the AIPS "Oruzie-MVD". Information and Telecommunication Technologies in Inteligent Systems. Second International Conference. Proceedings. Barcelona, May 22-29, 2004. P. 28-33.

3. Latishev A.V. Communication point of specialized distributed data transition network. Information and Telecommunication Technologies in Inteligent Systems. Second International Conference. Proceedings. Barcelona, May 2229, 2004. P. 34-37.

4. Латышев А. В. Модель коммуникационного узла. XLI Всероссийская конференция по проблемам математики, информатики, физики и химии. Тезисы докладов. Секции математики и информатики. М : РУДН, 2005. -с. 90-91.

5. Григорьев О.Г., Калинин П.Д., Латышев А В. Построение корпоративных сетей на основе технологии VLAN. Information and Telecommunication Technologies in Inteligent Systems. Third International Conference. Proceedings. Mallorca, June 02-09, 2005. P. 10-16.

6. Григорьев О.Г., Калинин П.Д., Латышев А.В. Построение корпоративных сетей на основе технологии VPN. Information and Telecommunication Technologies in Tnteligent Systems. Third International Conference. Proceedings. Mallorca, June 02-09, 2005. P. 16-21.

7. Артемьев А.Б, Латышев А.В, Саксонов Е.А. Анализ статического алгоритма управления нагрузкой серверов в распределенных системах.

Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии. Кафедра ВСиС. Сб. научных трудов. - М.: МИЭМ, 2005. Латышев A.B. Алгоритм безусловной диспетчеризации для управления нагрузкой серверов связи. Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии. Кафедра ВСиС. Сб. научных трудов. - М.: МИЭМ, 2005.

ИД №06117 от 23.10.2001

Подписано в печать 12 "!0.2005. Формат 60x84/16. Бумага типографская № 2. Печать - ризография. Усл. леч. л. 1,8 Тираж 70 экз. Заказ 7&5.

Московский государственный институт электроники и математики 109028, Москва, Б.Трехсяятительсхий пер., 3/12.

Центр оперативной полиграфии (095) 916-88-04, 918-89-25

t »

л/- IQ n/r /я

РЫБ Русский фонд

2007-4 1756

Введение.

1. Современное состояние и направления развития телекоммуникационной среды корпоративных информационных систем.

1.1. Построение и функционирование распределенных информационных систем Государственных учреждений.

1.1.1. Характерные особенности построения и функционирования ИС.

1.1.2. Структура информационной системы.

1.1.3. Телекоммуникационная среда ИС.

1.2. Информационная система МВД Российской федерации.

1.2.1. Специфические особенности функционирования ИС.

1.2.2. Архитектура ИС и ее основные компоненты.

1.2.3. Организация обмена информацией в ИС.

1.3. Состояние и направления развития телекоммуникационной системы МВД России.

1.3.1. Принципы формирования структуры телекоммуникационной системы МВД РФ.

1.3.2. Функциональное назначение и принципы построения СПД.

1.4 Защита информации в телекоммуникационной системе.

1.4.1. Основные методы защиты. 1.4.2. Система обеспечения информационной безопасности.

1.5. Перспективы развития телекоммуникационной системы.

Выводы.

2. Методы и средства создания коммуникационных узлов распределенных информационных систем.

2.1. Структура и функционирование коммуникационных узлов.

2.1.1. Задачи коммуникационных узлов по организации связи в информационной системе.

2.1.2. Структура коммуникационных узлов.

2.1.3. Управление работой коммуникационных узлов.

2.2. Технологии передачи данных.

2.2.1. Технология ISDN.

2.2.2. Технология Frame Relay.

2.2.3. Технология ATM.

2.2.4. Основные протоколы передачи данных.

2.3. Организация каналов.

2.3.1. Подключение по коммутируемой телефонной линии.

2.3.2. Подключение по выделенной линии.

2.3.3. Подключение по радиоканалу.

2.3.4. Оборудование для подключения к каналу.

2.3.5. Формирование структуры телекоммуникационной системы.

2.4. Обеспечение гарантированного качества обслуживания (QoS).

2.5. Средства системного администрирования.

2.6. Задачи анализа и оценки качества работы коммуникационных узлов. 82 Выводы.

3. Математические модели для расчета характеристик работы коммуникационного узла.

3.1. Описание моделей узла.

3.1.1. Описание работы узла.

3.1.2. Описание моделей. Постановка задачи.

3.2. Анализ модели работы совокупности серверов.

3.3. Анализ модели работы узла в режиме разделения ресурса.

3.3.1. Жесткое распределение пользователей по каналам.

3.3.2. Стохастическое распределение.

Выводы.Ill

4. Применение разработанных методов в специализированных информационных системах.

МВД РФ.

4.1. Автоматизированная информационно-справочная система «Оружие

МВД».

4.1.1. Формирование информационного фонда.

4.1.3. Телекоммуникационная система АИПС.

Обоснование выбора сетевого оборудования.

4.1.4. Информационное пространство АИПС.

4.1.5. Типовые решения по подключению региональных объектов.

4.2. Автоматизированная информационная система «Антитеррор».

Основные результаты работы.

Актуальность работы. Информационные системы все более широко внедряются в государственных учреждениях и организациях, обеспечивая взаимодействие их подразделений, связь с внешними системами, автоматизацию деятельности по сбору и обработке информации, принятию решений.

Развитие информационных систем невозможно без создания необходимой телекоммуникационной среды, обеспечивающей требуемый уровень сервиса при передаче данных.

К настоящему времени разработано и внедрено большое количество технологий передачи данных, обеспечивающих необходимые скорости передачи, защиту и управление. Данные технологии поддерживаются производителями аппаратных и программных средств и обеспечивают разработчиков и потребителей телекоммуникационных систем необходимыми возможностями для решения задач формирования телекоммуникационной системы, возникающих в каждом конкретном случае.

Кроме того, на сегодняшний день сформировались вполне конкретные методы решения задач создания телекоммуникационных систем, предлагающие типовые, отработанные на практике решения. К таким решениям относится создание телекоммуникационных систем на базе коммуникационных узлов.

Коммуникационные узлы стали в настоящее время унифицированными средствами создания систем передачи данных. Они позволяют эффективно решать большинство возникающих при передаче данных задач управления, обеспечения надежности и безопасности в рамках единого подхода к формированию структуры телекоммуникационной системы и согласованию работы ее узлов с учетом применяемого оборудования, программных средств, протоколов.

Однако требования к телекоммуникационным системам, в связи с развитием и интеграцией информационных систем, постоянно возрастают. Кроме того, развитие и совершенствование телекоммуникационных технологий и аппаратно-программных средств передачи данных способствует значительному увеличению возможных технических и технологических решений при создании коммуникационных узлов. Современная аппаратура связи, обеспечивающая комплексное решение проблем передачи данных (преобразование форматов и протоколов, маршрутизация, защита, фильтрация и т.д.), достаточно дорого стоит, поэтому требуется ее эффективное использование.

В связи с этим, разработчикам и администраторам телекоммуникационных систем требуются методы анализа и оптимизации принимаемых решений при выборе структуры системы и алгоритмов управления ее работой.

Таким образом, актуальными являются проведенные в диссертации исследования, позволяющие обоснованно выбирать основные технологические и технические решения при создании и управлении работой коммуникационных узлов, как основных элементов телекоммуникационных систем.

Целью работы является создание методов и средств решения задач разработки и анализа коммуникационных узлов телекоммуникационных систем, позволяющих оценивать качество работы узлов, оптимизировать управление узлами по заданным параметрам.

• результаты анализа современных методов построения крупных корпоративных информационных и соответствующих им телекоммуникационных систем;

• результаты анализа современного состояния корпоративной телекоммуникационной системы МВД РФ и направлений ее развития;

• результаты анализа методов построения и управления иерархической системы коммуникационных узлов корпоративной телекоммуникационной системы большой размерности;

• комплекс математических моделей для анализа и оптимизации алгоритмов диспетчеризации потоков в коммуникационных узлах высокого уровня по заданным критериям качества;

• комплекс математических моделей для анализа и оптимизации алгоритмов разделения ресурсов между пользователями для коммуникационных узлов низкого уровня.

Научная новизна полученных результатов заключается в разработке, на основе обобщения известных результатов, методов анализа качества работы коммуникационных узлов, создании комплекса математических моделей для анализа и оптимизации алгоритмов управления работой узлов различного уровня по заданным критериям качества, соответствующих современным информационным технологиям, требованиям к безопасности и экономической эффективности.

Практическая ценность результатов диссертации состоит в создании методов, моделей и алгоритмов анализа и оптимизации алгоритмов управления для основных компонентов телекоммуникационной сети коммуникационных узлов, практическая реализация которых приводит к улучшению характеристик работы узлов и всей системы в целом; позволяющих обоснованно выбирать параметры аппаратуры узлов различных типов для конкретных условий работы.

Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов диссертации основаны на обобщении и развитии известного опыта построения и анализа коммуникационных узлов телекоммуникационных систем, позволивших разработать математические модели и алгоритмы, учитывающие специфику работы узлов различного уровня и каналов связи в рамках современных технологий передачи и обработки данных; на соответствии полученных результатов известным данным, опубликованным в отечественной и зарубежной печати и, наконец, на результатах практического применения разработанных алгоритмов и моделей при создании специализированных корпоративных информационных систем МВД РФ.

Методы исследований. При решении поставленных в диссертации задач применялись методы теории систем, теории очередей, теории вероятностей, теории множеств, математического программирования.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке специализированных информационных систем МВД РФ:

- АИПС «Оружие МВД», выполненной в соответствии с Федеральной целевой программой по усилению борьбы с преступностью на 1999 - 2000 гг. и приказами МВД РФ;

- АИС «Антитеррор», выполненной в соответствии с приказами МВД

РФ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на Международных конференциях

Информационные и телекоммуникационные технологии в интеллектуальных системах» (Барселона, Майорка - 2004, 2005 г.), XLI Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии (РУДН, 2005 г.), научно-технических семинарах МИЭМ (2003 - 2005 гг.), совещаниях МВД РФ.

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 8 опубликованных печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка литературы.

Основные результаты работы

В диссертационной работе решена задача разработки методов построения и анализа коммуникационных узлов корпоративных телекоммуникационных систем.

В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты.

1. Проведен анализ современных корпоративных информационных систем и выявлены присущие им общие черты, связанные с использованием иерархической структуры, построением телекоммуникационной системы, методами передачи данных по каналам связи. По результатам анализа выделены типовые решения, которые наиболее часто используются при создании ИС и их телекоммуникационных систем.

2. Показано, что основными элементами при формировании структуры телекоммуникационных систем распределенных корпоративных ИС являются коммуникационные узлы различной степени сложности, что позволило определить в качестве объектов исследования коммуникационные узлы и алгоритмы управления их работой.

3. Проведен анализ современного состояния корпоративных телекоммуникационных систем МВД РФ и направлений их развития с учетом специфики требований к предоставляемым сервисам при передаче данных, показавший, что одним из основных направлений развития является создание иерархической системы современных коммуникационных узлов, обеспечивающих необходимые скорость и безопасность при передаче данных.

4. Определены базовые структура и став коммуникационных узлов различного уровня, характеристики качества их работы и параметры управления. Выделены основные алгоритмы управления работой узлов, позволяющие распределять потоки данных между серверами узлов, распределять ресурсы узла между пользователями, обеспечивая заданное качество обслуживания.

5. Разработан комплекс математических моделей для расчета характеристик работы узлов различного уровня и оптимизации алгоритмов управления. Исследованы алгоритмы управления с дискретными и непрерывными параметрами, показаны возможности применения непрерывных параметров управления для решения задач дискретной оптимизации.

6. Приведены результаты практического применения разработанных в диссертации методов и моделей для формирования телекоммуникационных систем специализированных корпоративных ИС МВД РФ.

Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть полезны разработчикам и администраторам распределенных информационных систем, вычислительных сетей, узлов связи.

1. Авен О.И., Гурнн Н.Н., Коган Я.А. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. - М.: Наука, 1982. - 464 с.

2. Альянах И.Н. Моделирование вычислительных систем. JL: Машиностроение, 1988.-223 с.

3. Байцер Б. Архитектура вычислительных комплексов. В 2-х частях. -М.: Мир, 1974.

4. Балыбердин В.А. Оценка и оптимизация характеристик систем обработки данных. М.: Радио и связь, 1987. - 176 с.

5. Башарин Г.П., Бочаров П.П., Коган Я.А. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчета. М.: Наука, 1989. -336 с.

6. Бертсекас Д., Галагер Р. Сети передачи данных.: Пер. с англ. М.: Мир, 1989.-544 с.

7. Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы. / Пер. с англ. -М.: Мир. 1990.-510с.

8. Бобровски С. Oracle 7: вычисления клиент/сервер. Пер. с англ. С. Орлова. М.: "Лори"., 1996.

9. Богуславский Л.Б., Ляхов А.И. Оценка производительности распределенных информационно-вычислительных систем архитектуры "клиент-сервер". Автоматика и телемеханика, №9, 1995.

10. Бронштейн О.И., Духовный И.М. Модели приоритетного обслуживания в информационно-вычислительных системах. М.: Наука, 1976.

11. П.Васильев В.И., Гориков Л.Ф., Свириденко В.А. Методы и средстваорганизации каналов передачи данных-М.: Радио и связь, 1982.-150 с.

12. Винарский М.Г. Метод расчета динамической буферной памяти узла коммутации сообщений. Автоматика и телемеханика, 1984, 6.

13. Вишневский В.М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. М.: Техносфера, 2003. - 512с.

14. Владимиров Н.А. Технология ATM: основные положения. // Сети. 1996. №2 (45). С. 62-71.

15. Волоконная оптика наступает. // LAN / Журнал сетевых решений №7-№8, 1998.

16. Вопросы защиты сетей Windows NT. // LAN / Журнал сетевых решений №3, 1999.

17. Высокоскоростные магистрали передачи данных. // Сети. №7, 1996.

18. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. М.: Наука, 1966.

19. Григорьев О.Г. Современные технологии создания корпоративных информационных систем. М.: Европейский центр по качеству, 2003. - 180 с.

20. Григорьев О.Г. Модель работы сервера приложений в распределенной системе // Электросвязь. № 10, 2004.

21. Григорьев О.Г. Определение параметров администрирования распределенной корпоративной информационной системы. // Методы и модели автоматизации проектирования и управления в строительстве. Научно-технический сборник. М.: SvR-Apryc, 1998. с.34-37.

22. Гусева А.И. Технология межсетевых взаимодействий. М.: Диалог МИФИ, 1997.- 176 с.

23. Дейт К. Введение в системы баз данных. 6-е изд. М.: Диалектика, 1998.-784 с.

24. Демин И.В. Расчет загрузки оборудования корпоративной сети на базе VLAN. Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии. Сб. научных трудов. МИЭМ. М.: 2001. С.193-196.

25. Джейсон Причард. Просто и доступно. СОМ и CORBA. Архитектуры, стратегии и реализации. Из-во "Лора", 2001. 372 с.

26. Дирк Слема, Джейсон Гарбис, Перри Рассел. Корпоративные системы на основе CORBA. Пер. с англ. М.: Изд. Дом "Вильяме", 2000. - 386 с.

27. Дубовая Н. Управление информационной средой корпорации. Открытые системы. 11 -12, 1999.

28. Дубовая Н. Управление распределенной корпорацией версия Tivoli. ComputerWorld - Россия, 2, 1997.

29. Дунаев С.Б. INTRANET технологии.- М.: Диалог-МИФИ, 1997. 272 с.

30. Дэвис Д., Барбер Д., Прайс У., Соломонидес С. Вычислительные сети и сетевые протоколы. М.: Мир, 1982. - 562 с.

31. Жожикашвили В.А., Вишневский В.М., Винарский М.Г. Буферная память узлов коммутации в сетях ЭВМ (анализ и методы расчета). -М.: ИПУ РАН, Препринт. 60 с.

32. Замятин В.А. Методы анализа распределенной корпоративной информационной системы специального назначения территориального уровня. Дисс. на соискание уч. степени к.т.н. М.: МИЭМ, 2001.

33. Информационная безопасность в Интранет. // LAN/Журнал сетевыхрешений, 7,1996.

34. Камер Дуглас Э. Компьютерные сети и Internet. Разработка приложений для Internet.: Пер. с англ. М.: Изд. дом "Вильяме", 2002. - 640 с.

35. Кемени Дж., Снелл Дж. Конечные цепи Маркова. М.: Наука, 1970. -272 с.

36. Клейнрок JI. Теория массового обслуживания. Пер. с англ. Под ред. В.И. Неймана. М.: Машиностроение, 1979. - 432 с.

37. Клейнрок JL Вычислительные системы с очередями. Пер. с англ. Под ред. Б.С. Цыбакова.- М.: Мир. 1979. 600 с.

38. Козлов В.А. Открытые информационные системы. М.: Финансы и статистика, 1999.

39. Кофман А., Анри-Лабордер А. Методы и модели исследования операций. М.: Мир, 1977. - 432 с.

40. Краснощеков П.С. и др. Принципы построения моделей. М.: 1983.

41. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978.-432с.

42. Кузнецов С.Д. Открытые информационные системы и стандарты: взгляд практика.// Развитие и применение открытых систем. Тезисы докладов Ш международной конференции.- М.: МЦНТИ, 1996.

43. Ладыженский Г.М., Леонтьев В.В., Пуха Ю.В. Принципы построения распределенных информационных систем.// Развитие и применение открытых систем. Тезисы докладов Ш международной конференции.-М.: МЦНТИ, 1996.

44. Ланкастер П. Теория матриц. Пер. с англ. М.: Наука, 1978. - 280 с.

45. Лезер Н. Архитектура открытых распределенных систем. Открытые системы, вып. 3. 1993.

46. Липаев В.В. Направления развития методов и стандартов открытыхсистем.// Информатика и вычислительная техника. Научно-технический сб. Вып. 1-2. 1995.

47. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ.- М.: 1988.

48. Мартин Дж. Вычислительные сети и распределенная обработка данных/М.: "Финансы и статистика", 1985.

49. Мероприятия федеральной целевой программы "Электронная Россия (2002-2010 годы)." Приложение к постановлению Правительства Российской Федерации от 28 января 2002 г. № 65.

50. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.-488 с.

51. Минниханов Р.Н. Защита от несанкционированного доступа в специализированных информационных системах.- Казань: 1999 200 с.

52. Моисеев Н.Н., Иванилов Ю.П., Столярова Е.М. Методы оптимизации. М.: Наука, 1978. - 352 с.

53. Нейман В. И. Структуры систем распределения информации. М.: Связь, 1975. - 264 с.

54. Овчаров JI.A. Прикладные задачи теории массового обслуживания, М.: Машиностроение, 1969.

55. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. СПб.: Питер, 1999. 672 с.

56. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Новые технологии и оборудование IP-сетей. СПб.: БХВ-Санкт-Петербург, 2000. 512с.

57. Основы проектирования сети. // LAN/Журнал сетевых решений. №2, 1997.

58. Особенности применения новых маршрутизаторов Cisco. // Сети. №5, 1997.

59. Панасенко А.А. Соглашение об уровне как метод предоставления QoS. Вестник связи, №4, 2003.

60. Практическое руководство по волоконно-оптическим технологиям. // LAN/Журнал сетевых решений, №3, 1997.

61. Проектирование высокопроизводительных корпоративных сетей с многоуровневой коммутацией, Cisco Systems, Inc., Plus Communications, 1998.

62. Протоколы информационно-вычислительных сетей. Справочник.- М.: Радио и связь, 1990.

63. Ретано А., Слайс Д., Уайт Р. Принципы проектирования корпоративных IP-сетей.: Пер. с англ. М.: Изд. дом «Вильяме», 2002.- 368 с.

64. Риордан Дж. Вероятностные системы обслуживания. М.: Связь, 1966.- 184 с.

65. Саати Т.А. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. М.: Сов. Радио, 1971. - 520с.

66. Семенов Ю.А. Сети Интернет. Архитектура и протоколы. М.: "Сирин". 1998. - 424 с.

67. Семенов Ю.А. Протоколы и ресурсы Internet. М.: Радио и связь, 1996. - 320 с.

68. Сети Windows NT 4.0 BHV, Киев, 1997.

69. Сипсер P. Архитектура связи в распределенных системах.- М.: Мир, 1981.

70. Создание сетевой инфраструктуры Интранет, Bay Networks, 1997.

71. Столингс В. Криптография и защита сетей: принципы и практика, 2-е изд.: Пер. с англ. М.: Изд. Дом «Вильяме», 2001. - 672 с.

72. Танненбаум Э. Компьютерные сети. 4-е издание. СПб.: Питер, 2003.

73. Танненбаум Э., М. Ван Стен. Распределенные системы. Принципы и парадигмы. СПб.: Питер, 2003. - 877 с.

74. Удаленное управление сетевыми ОС. // LAN/Журнал сетевых решений, Лг°5. 1999.

75. Ульман Дж. Основы систем баз данных: Пер. с англ. М.: Финансы и статистика. 1983. - 572 с.

76. Управление информационными системами: базовые концепции и тенденции развития. // Открытые системы. №4, 1999.

77. Уэлдон Д.-Л. Администрирование баз данных: Пер. с англ. М.: Финансы и статистика. - 1984. - 360 с.

78. Федеральная целевая программа "Электронная Россия (2002 2010 годы)". Постановление Правительства Российской Федерации от 28 января 2002 г. № 65.

79. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее применения. В 2-х томах. Пер с англ.- М.: Мир, 1987. Т1-528с. Т2-738с.

80. Фролов А.В., Фролов Г.В. Глобальные сети компьютеров. М.: Диалог МИФИ.- 1995.

81. Фрэнк Г., Фриш И. Сети, связь и потоки. Пер. с англ. М.: Связь, 1978.- 448 с.

82. Функциональные стандарты в открытых системах. В 2-х т. М.: МЦНТИ, 1997.

83. Цвиркун А.Д. Основы синтеза структуры сложных систем. -М.: Наука, 1982.

84. Чмора А.Л. Современная прикладная криптография.- М.: Гелиос АРВ, 2001.-256с.

85. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ: В 2 ч.- М.: Наука, 1992.-336 с.

86. Шварцман В.О. QoS — система гарантированного качества услуг. Век качества. №6,2001.88! Шилейко А.В.и др., Введение в информационную теорию систем // 1. М.: Радио и связь, 1985.

87. Яибых Г.Ф., Эттингер Б.Я. Методы анализа и синтеза сетей ЭВМ. -Л.: Энергия, 1980.-96 с.

88. Adler R. Distributed Coordination Model for Client/Server Computing/ IEEE Computer, vol. 28, N4, pp. 14-22.

89. Anderson R. Security Engineering A Guide to Building Dependable Distributed Systems. New-York: John Wiley, 2001.

90. Bellovin S., Cheswick W. Network Firewalls, IEE Communications Magasine, September, 1994.

91. Birman K. Building Secure and Reliable Network Applications. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1996.

92. Cheng P. A. Security Architecture for the Internet Protocol. IBM Systems Journal, N1,1998.

93. Cristian F. Understanding Fault-Tolerant Distributed Systems. Commun. ACM, vol. 34, N2, hh. 56-78.

94. Emmeich W. Engineering Distributed Objects. New-York: John Wiley, 2000.

95. Foster I., Kesselman C., Tsudik G., Tuecke S. A Security Architecture for Computatonal Grids. Proc. Fifth Conf. Computer and Communications Security. ACM, 1998. pp. 83-92.

96. Forman I.R. On the design of large distributed systems // Proc. IEEE CS 1986 Int. Conf. on Computer Languages, Miami, FL.-1986.-P.84-95.

97. Ford W. Computer Communications Security Principles, Standard Protocols and Techniques. New Jersey: Prentice-Hall, 1994.

98. Gifford D. Cryptographic Sealing. Commun. ACM, vol. 25, N4, pp. 274286.

99. Gollmann D. Computer Security. New-York: John Wiley, 1999.

100. Handel R., Huber M., Schroder S. ATM Networks. Workingham:

101. Addison-Wesley, 2nd ed., 1994.

102. Horowitz M. Lunt S. FTP Security Extensions. RFC 2228, Oct. 1997.

103. James D. McCabe. Practical Computer Network Analysis and Design. Morgan Kaufmann Publishing company, 1998.

104. Malkhi D., Reiter M. Secure Execution of Java Applets using a Remote Playground. IEEE Trans. Soft. Eng., vol. 26, N12, pp. 1197-1209, Dec. 2000.

105. Oracle. Database Administrator's Guide. Oracle Corp.- 1984.

106. Oppliger R. Internet Security: Firewalls and Beyond. Communications of the ACM, May, 1997.

107. Pfleeger C. Security in Computing. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1997.

108. Rubin A., Geer D., Ranum M. Web Security Sourcebook. New York: Wiley, 1997.

109. Stallings W. Data and Computer Communications, Fifth Edition. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1997.