автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Анализ процессов функционирования систем электронных платежей

На правах рукописи

Степаненко Игорь Александрович

АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОННЫХ ПЛАТЕЖЕЙ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ОКТ 2013

005534755

Волгоград - 2013

005534755

Работа выполнена на кафедре «ЭВМ и С» Волгоградского государственного технического университета

доктор технических наук, профессор Лукьянов Виктор Сергеевич.

доктор технических наук, профессор Фоменков Сергей Алексеевич.

Лобейко Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный университет» в г. Знаменск, кафедра «Математика и информатика», зав. кафедрой.

Стрельников Олег Иванович

кандитат технических наук, программист, ООО «Открытые системы», г. Волгоград.

Ведущая организация Пензенский государственный университет,

г. Пенза.

Защита состоится 28 октября 2013 года в 11:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.04 Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина 28, ВолгГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан 27 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты:

Лхк^у Водопьянов В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

На сегодняшний день прослеживается тенденция роста и развития рынка электронной коммерции. Это явление объясняется тем, что процесс платежа электронными деньгами осуществляется быстро и не возникает очередей. Также недостатками наличных денег является то, что их нужно постоянно носить с собой, они разрушаются и их могут украсть. В основе любой системы электронных платежей (СЭП) лежит финансовый протокол, который регламентирует взаимодействие между участниками, т.е. покупателем, продавцом и банком. К финансовым протоколам обычно выдвигаются требования, такие как безопасность участников протокола, анонимность.

Дополнительные требования в области информационной безопасности оказывают заметное влияние на выбор технических характеристик компонентов системы электронных платежей. Учет совокупного влияния данных характеристик на функционирование СЭП является достаточно сложной задачей. Поэтому процесс проектирования системы электронных платежей может затягиваться, т.к. на практике требуется обоснованно выбирать параметры технических компонентов проектируемой системы. К примеру, обосновать такой выбор можно экспериментальным способом с реальной системой электронных платежей, но на практике такой подход не всегда эффективен из-за временных или экономических ограничений. Таким образом, создание средств анализа функционирования систем электронных платежей на основе методов математического моделирования является актуальной задачей.

Степень изученности проблемы. Случайный характер поступления заявок в систему электронных платежей, а также сложность ее структуры обуславливают применение теории сетей массового обслуживания (СеМО) для анализа вероятностно-временных характеристик СЭП. Научные работы, посвященные исследованию вероятностно-временных характеристик сложных информационных систем, методам определения эффективности работы таких

3

систем, а также исследованию систем электронных платежей проводились как в нашей стране, так и за рубежом. В развитие данного направления весомый вклад внесли JI. Клейнрок, Г.ПБашарин, Б.Я.Советов, Я.А.Коган, В.А. Жожжикашвили, В.М. Вишневский, В.СЛукьянов, И.В. Черковский, Д.В. Быков, В.Н. Скакунов, С.В. Запечников, Д. Чаум, O.A. Славин, Г.Л. Смолин,

B.C. Цыганков, В.Н. Цыгичко, Д.С. Черешкин, В. М. Шелудько,

C.А.Страдымов и др. Отметим, что в литературных источниках отсутствуют алгоритмы имитационного моделирования, отражающие реальные процессы и особенности функционирования систем электронных платежей которые бы позволили получить детальные вероятностно-временные характеристики СЭП, а также отсутствуют алгоритмы по оптимизации параметров функционирования таких систем.

Данная работа опирается на результаты приведенных исследований и развивает их отдельные положения применительно к задаче исследования структуры и производительности систем электронных платежей.

Целью диссертации является повышение эффективности функционирования системы электронных платежей, построенной на базе протокола "анонимные денежные чеки", путем разработки алгоритмов для анализа и оптимизации вероятностно - временных характеристик СЭП. Под эффективностью будем понимать значения выходных вероятностно -временных характеристик системы, таких как среднее время обслуживания заявки, коэффициенты потерь.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

- на основе анализа литературных данных установить требования к системам электронных платежей и исследовать особенности финансового протокола "анонимные денежные чеки";

-формализовать процессы функционирования системы электронных

платежей в виде сети массового обслуживания;

- провести исследование системы электронных платежей методами аналитического и имитационного моделирования;

- разработать алгоритм для оптимизации параметров функционирования системы электронных платежей;

- разработать программный комплекс, позволяющий на его основе проводить моделирование, анализ и оптимизацию работы системы электронных платежей с применением предложенных алгоритмов;

- проверить работоспособность и эффективность программного комплекса.

Объектом исследования является система электронных платежей,

построенная на базе финансового протокола "анонимные денежные чеки".

Предметом исследования является процесс функционирования системы электронных платежей.

Методы исследования. В ходе исследования были применены методы системного анализа, математического моделирования, теории оптимизации и объектно - ориентированного проектирования программных систем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложена модель функционирования системы электронных платежей в виде сети массового обслуживания, позволяющая на ее основе исследовать вероятностно-временные характеристики СЭП в условиях меняющихся внешних и внутренних факторов;

разработан новый алгоритм имитационного моделирования, позволяющий получить выходные вероятностно - временные характеристики СЭП без учета ограничений применяемых аналитических методов расчета;

- на основе имитационного и генетического алгоритмов разработан и применен оптимизационный метод для новой предметной области ' -нахождения оптимальных параметров функционирования системы электронных платежей, дающий возможность обосновывать выбор

5

характеристик технических компонентов СЭП.

Практическая значимость и внедрение. Разработанный программный комплекс «АссАпа1угег» позволяет инженеру - проектировщику анализировать поведение СЭП в зависимости от входной нагрузки, осуществлять обоснованный выбор технических характеристик компонентов системы на этапе начального проектирования.

Комплекс может найти применение в банковской деятельности, в организациях ведущих проектирование систем электронных платежей, в учебном процессе технических вузов по соответствующим дисциплинам.

Программный комплекс «АссАпа1у2ег» внедрен в учебный процесс на кафедре «ЭВМ и С» Волгоградского государственного технического университета в курсах «Методы и средства защиты информации», «Теория телетрафика».

Получено свидетельство о регистрации программного комплекса «АссАпа1у2ег» в Федеральной службе по интеллектуальной собственности.

Программный комплекс «АссАпа1угег» внедрен в процесс проектирования систем в защищенном исполнении ООО «ВПО» г. Волгоград, что отражено в соответствующем акте. На защиту выносятся:

- модель функционирования системы электронных платежей в виде сети массового обслуживания;

- алгоритм имитационного моделирования системы электронных платежей;

- алгоритм для оптимизации параметров функционирования системы электронных платежей;

- программный комплекс «АссАпа1угег».

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием апробированных методов математического моделирования, исследования

операций, системного анализа, совпадением результатов аналитического и имитационного моделирования в общей области исследования, а также подтверждается результатами проверки работоспособности и эффективности применяемых методов в ходе исследования. .

Апробация работы. Основные положения исследования докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «ЭВМ и С» Волгоградского государственного технического университета, а также на Всероссийских и Международных научных и научно-практических конференциях: «Научная дискуссия: Вопросы технических наук» (Москва, 2012), «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Одесса, 2013), «Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки» (Москва, 2013) и других. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК, 4 статьи в сборниках трудов конференций, 1 статья в зарубежном журнале, входящем в международную базу цитирования «Scopus», получено 1 свидетельство о регистрации программной системы.

Структура и содержание диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, а также библиографического списка с 85 наименованиями и приложений. Общий объем работы 121 страница, в том числе 55 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна, методы исследования, практическая значимость работы, излагается краткое содержание глав диссертации.

В первой главе рассматриваются классификация и структура систем электронных платежей, анализируются требования, выдвигаемые к системам электронной коммерции, а также приводится описание базовых схем, на которых они основываются.

По результатам анализа делается вывод о необходимости исследования процессов функционирования системы электронных платежей, что позволит создать средства для ее анализа.

Подробно рассматривается финансовый протокол "анонимные денежные чеки", который позволяет построить на его основе систему, удовлетворяющую всем требованиям, описанным в первой главе.

Блок схема протокола "анонимные денежные чеки" четвертой модификации представлена на рисунок 1-2.

Помимо вербального описания и блок-схем приводится анализ всех модификаций финансового протокола "анонимные денежные чеки".

Формулируются цель и задачи исследования.

Во второй главе приводится обзор основных положений теории сетей массового обслуживания, обосновывается ее применение для исследования системы электронных платежей, предлагается модель функционирования СЭП, формализованная в виде СеМО, описываются алгоритмы моделирования и оптимизации СЭП. Рассматриваются разомкнутые экспоненциальные СеМО, для которых равновесное совместное распределение количества заявок в центрах обслуживания представляется в виде произведения маргинальных распределений:

Р(пиП2,..., пй) = П?=1 Л 0к)1 (1)

где Р^п^ — стационарная вероятность того, что в г-м центре, рассматриваемом изолированно, находится и,- сообщений, Л — количество центров массового обслуживания в сети.

Рнс.1. Блок схема протокола "анонимные денежные чеки"

Рис.2. Продолжение блок схемы протокола "анонимные денежные чеки" Из исследований Гордона и Ньюэла дается обобщение формулы (1) для однородной замкнутой сети, отличие которой от разомкнутой заключается в том, что в ней отсутствуют поступления заявок извне и отсутствуют уходы их из сети.

В данных условиях формула (1) остается прежней, но появляется необходимость внести нормализующую константу в для выполнения равенства между суммой вероятностей состояний сети и единицей с условием, что в сети находится N заявок:

Р^Щ.Ъ.....71*) = зП?=1^(П£), (2)

где ц, - интенсивность обработки сообщений в г'-м центре.

Для определения потоков, циркулирующих в стационарном режиме в СеМО, вводятся коэффициенты передачи е„ такие, что 1Щ)е1 представляет собой общую интенсивность потока сообщений в 1-й центр сети

я((ло=хт^л^тя, (4)

(5)

Для замкнутых сетей исключается поток от внешнего источника и система уравнений (5) принимает следующий вид

я

^ (6)

Для того, чтобы решить систему уравнений (6) необходимо случайным образом задать значение е,- например е\ = 1. Величина е,- - это среднее число посещения заявками 1-го центра между двумя последовательными посещениями первого центра.

Предлагается следующая схема формализации СЭП в виде сети массового обслуживания (рисунок 3).

Блокировка

Б12

м

РУ/гаррегЕ|

РСЬесУВггог Сиимвег)

Рв впк 5)^ Епог„а I ет!_

Рис.3. Схема формализации СЭП в виде сети массового обслуживания

SI - центр, формализующий работу модуля по приему заявок (TCP модуль), принимает заявки и записывает их в отведенную для необработанных заявок область памяти; S2 - центр, формализующий работу модуля по извлечению заявок из очереди и передачи ее в основной поток обслуживания; S3,12 - центры, формализующие работу основных параллельных потоков сервера; S4 - центр, формализующий работу по проверке электронно -цифровой подписи (ЭЦП) и статуса сертификата; S5 - центр, формализующий работу покупателя по генерации чеков и передачи их в банк; S6 — центр, формализующий работу банка по проверке чеков; S7 - центр, формализующий работу покупателя по проверке подписанного банком чека; S8 - центр, формализующий работу продавца по проверке подписи банка; S9 - центр, формализующий работу продавца по проверке дополнительной информации к чеку и передачи его в банк; S10 - центр, формализующий работу банка по подтверждению платежа; S11 - центр, формализующий работу модуля по извлечению ответа из отведенной области памяти и генерации ЭЦП под ответом сервера; S12 - центр, формализующий работу по отправке ответа клиенту; L - длина очереди к серверу; М - число параллельных потоков сервера; К - число подключений к серверу;

Pdata,PwRBR,PcissicN,Pca_BsraN>PcHECKEn-^P^rHOcrm переходов для аналитического моделирования

Для аналитического расчета СеМО применяется метод средних значений (англ. - Mean Value Analysis - MVA), который был предложен Рейзером и Левенбергом. Блок схема алгоритма изображена на рисунке 4.

На шаге 1 выполняется начальная инициализация для всех центров сети R. Далее в зависимости от числа сообщений в СеМО к для каждого центра сети рассчитываются такие характеристики как среднее время пребывания заявки в сети (шаг 3), интенсивность потока в центре, количество заявок в очереди и количество заявок на обслуживании (шаги 4,5).

^ Начало ^

т

¿,(0) = 0,ie[l,iq

X

k=l, k<=N, к-Н-i<=R, i-н-

Для однолинейных центров:

н

Для IS центров:

W) 1

ц,

м

i-1, i<=R, Ьн-

L,m=z,(k)T,{k)

А

^ Конец ^

{2} {3}

Описанные методы

аналитического моделирования {!} имеют следующие допущения: поток заявок, поступающих на вход, должен быть пауссоновским; длительность обслуживания

распределяется по

экспоненциальному закону в центрах с дисциплиной БСБС либо является распределением общего. вида в центрах К, РБ, ЬСБС; длина очереди в центрах не ограничена; количество каналов обслуживания в многолинейных центрах не ограничено.

Чтобы исключить приведенные допущения при анализе был разработан алгоритм имитационного моделирования системы электронных платежей для получения ее более детальных характеристик. При имитационном моделировании

{4}

{5}

Рис.4. Блок схема метода средних значений (MVA)

учитываются потери заявок из-за переполнения очередей, нехватки обслуживающих приборов в многолинейных центрах, а также превышения предельного времени ожидания облуживания. Блок - схема алгоритма имитационного моделирования представлена на рисунке 5. Сложность анализа с применением имитационного моделирования заключается в переборе большого числа входных параметров, чтобы отследить реакцию системы при изменении сразу нескольких входных характеристик* В связи с этим,

13

f Начало ^

Ввод исходных данных

Генерация времен поступления первых заявок от всех

ИСТОЧНИКОВ

Г Конец J

Рис.5. Блок-схема алгоритма имитационного моделирования СЭП

формулируется задача

оптимизации, чтобы

получить минимальные вероятностно - временные характеристики системы электронных платежей при заданной рабочей нагрузке. Управляющие параметры оптимизации: длина

очереди к серверу (Ь), влияющая на объем оперативной памяти (ОЗУ); число параллельных потоков обслуживания (М),

влияющее на объем оперативной памяти и на число распределенных

серверов; время проверки ЭЦП и статуса сертификата (Тз1о\у), влияющее на среднюю интенсивность

обслуживания в системе; предельное время ожидания обслуживания (Tout). Критерии оптимизации: среднее время обработки заявки (Гер); коэффициент потерь из-за превышения времени обработки над тайм-аутом . (LostSIT );коэффициент потерь заявок из-за отсутствия места в очереди сервера (Los/S2L); экономические показатели, связанные с затратами на увеличение объема оперативной памяти, числа распределенных серверов и быстродействия отдельных подсистем (L, М, Tslow).

Критерий эффективности (функция пригодности) определяется на основе линейной свертки и имеет следующий вид:

п

Е= (я,)=Ь, у, (Тер) + Ъ2цгг (£смГ£2Г) + Ъгщ (1\jOStS2L)+Ь4\уА (Ь)+Ъьц>% (М)+Ь6у/й (таоуу),

1=1

где функции подбираются так, чтобы исключить размерность г'-й

характеристики и обеспечить условие а весовые коэффициенты Ь1 удовлетворяют

п

условию = 1; 6, > 0.

Рис.6. Алгоритм параметрической оптимизации СЭП

Данный критерий эффективности позволяет учесть как выходные характеристики системы, так и экономические показатели, связанные с затратами на увеличение объема ОЗУ, числа распределенных серверов и быстродействия отдельных узлов системы.

Для решения поставленной задачи разработан оптимизационный

алгоритм (рисунок 6), который основывается на основе генетического

и описанного выше имитационного алгоритмах.

Указанные средства анализа позволяют предложить методику повышения эффективности системы электронных платежей, построенной на базе финансового протокола "анонимные денежные чеки".

В третьей главе описан разработанный программный комплекс для моделирования, анализа и оптимизации работы системы электронных платежей

15

«АссАпа1угег». Приводится диаграмма вариантов использования комплекса (рисунок 7) и описание основных технических решений принятых при разработке отдельных подсистем.

i'fjj * VA \

S ЭДк

Икженр-проеетировщик >

«подсистема»

Аналитическое моделирование

«подсистема»

Оптимизация

~ и—. Seechi исходные. \

ля!;,

Огттиювировать.; V. ... ОЛТИМИЗЭфМ 'у

(. ? :;-;';вьиодные ' " '' -, V N^ "

у ■■•характеристики /

«стемы

«включить»

«включить» /у Запустить Поиск

Г ошкмальных , V/)

. просмотреть \ \f- параметр» . g у

V" результат s 1:.

Рис.7. Диаграмма вариантов использования комплекса «AccAnalyzer»

Программный комплекс для анализа вероятностно - временных характеристик СЭП реализован на языке С# в среде Microsoft Visual Studio 2010. Визуализация графических результатов выполняется библиотекой ZendGraph. Разработанная система может функционировать на компьютерах под управлением операционной системы MS Windows ХР и новее с установленным .Net Framework 2.0 и выше.

В четвертой главе проведен анализ работоспособности и эффективности программного комплекса «AccAnalyzer».

Для оценки эффективности предлагаемых алгоритмов были проведены расчеты на основе данных, предоставленных инженером - проектировщиком из внедряющей организации и подобраны параметры системы, которые минимизируют ее выходные характеристики (среднее время обслуживания заявки, коэффициенты потерь).

В результате расчета методами аналитического моделирования' были получены начальные данные, которые описывают систему в целом. Т.к. применяемые аналитические методы имеют ряд ограничений, то результат является недостаточно точным. Поэтому был проведен расчет методом имитационного моделирования СЭП, в результате которого были получены зависимости среднего времени обслуживания заявки в системе, коэффициента потерь и др. от рабочей нагрузки, позволяющие оценить эффективность функционирования системы электронных платежей. Под рабочей нагрузкой понимается совокупность таких входных параметров как интенсивность входного потока заявок и число покупателей.

По полученным результатам в ходе имитационного моделирования был сделан следующий вывод: подбор оптимальных параметров функционирования СЭП при помощи только разработанного алгоритма имитационного моделирования является сложной и трудоемкой задачей, т.к. приходится вручную перебирать множество значений входных параметров. Для решения задачи по нахождению оптимальных параметров функционирования системы электронных платежей был применен разработанный алгоритм оптимизации.

Оптимизация проводилась при следующих параметрах генетического алгоритма: количество особей в поколении - 20; количество обрабатываемых поколений - 40. Параметры требования к СЭП по нагрузке: число абонентов -. 1200; интенсивность входного потока заявок 0.01 с"1. Результаты оптимизации приведены в таблице 1.

Из полученных результатов следует, что увеличив длину очереди к серверу на 27 заявок, ускорив крипто-ядро и процесс проверки статуса

17

сертификата клиента на 0,11 секунд, увеличив таймаут на 17 секунд можно получить в два раза меньшее время обработки заявки, исключить потери заявок, что позволит повысить эффективность СЭП еще на этапе ее проектирования, а также уменьшить число основных потоков сервера, что приведет к уменьшению объема используемой оперативной памяти.

Таблица 1

Результаты параметрической оптимизации СЭП

Параметр/характеристика Диапазон изменения Значение до оптимизации Оптимизированное значение

Длина очереди на обслуживание [0,1000] 150 . 177

Число параллельных потоков сервера [0,500] 420 312

Время нахождения заявки в центре Э4 [0.05,1] 0,4 0,29

Предельное время ожидания обслуживания [0, 60] 30 47

Среднее время обработки заявки 15,7 8,19

Коэффициент потерь из-за превышения времени обработки над тайм-аутом 0,03 0

Коэффициент потерь заявок из-за отсутствия места в очереди сервера 0,37 0

Таким образом, разработанный оптимизационный алгоритм предоставляет возможность обосновывать выбор технических характеристик СЭП, таких как объем оперативной памяти, число распределенных серверов.

Программный комплекс «АссАпа1угег» внедрен в учебный процесс на кафедре «ЭВМ и С» Волгоградского государственного технического университета в курсах «Методы и средства защиты информации», «Теория телетрафика».

Получено свидетельство о регистрации программного комплекса «АссАпа1угег» в Федеральной службе по интеллектуальной собственности.

Программный комплекс «АссАпа1угег» внедрен в процесс проектирования систем в защищенном исполнении ООО «ВПО» г. Волгоград, что отражено в соответствующем акте.

В заключении обобщаются основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, выделяются возможные направления дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе получены следующие теоретические и практические результаты:

-на основе анализа литературных данных установлены требования к системе электронных платежей, исследованы особенности финансовых протоколов и обоснован выбор протокола "анонимные денежные чеки";

- процессы функционирования системы электронных платежей основанной на финансовом протоколе "анонимные денежные чеки" формализованы в виде сети массового обслуживания;

- применены методы аналитического моделирования для нахождения начальных вероятностно-временных характеристик СЭП;

- разработан алгоритм имитационного моделирования системы электронных платежей, который позволяет определять ее детальные вероятностно - временные характеристики;

- разработан алгоритм параметрической оптимизации системы электронных платежей;

- разработан программный комплекс «АссАпа1угег» для анализа системы электронных платежей, построенной на базе протокола "анонимные денежные чеки" с применением указанных выше алгоритмов;

- проверена работоспособность и эффективность программного комплекса «АссАпа1угег» на макете системы электронных платежей во внедряющей

организации ООО «ВПО» г. Волгоград, что позволило повысить эффективность СЭП на этапе ее проектирования за счет подбора соответствующих параметров функционирования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ Статьи в журналах, рекомендуемых ВАК

1. Степаненко И.А. Анонимность в системе электронных платежей / И.А. . Степаненко, B.C. Лукьянов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах": межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. — Вып. 13, № 4 — С. 180.

2. Степаненко И.А. Проблема повторной оплаты электронным чеком / Й.А. Степаненко, B.C. Лукьянов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах": межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012.-Вып.14, № 10 —С. 200.

3. Афонасенков Е.В. Проблема повторной оплаты электронным чеком / Е.В. Афонасенков, И.А. Степаненко // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах": межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012.-Вып.15,№ 15-С. 5-8.

4. Афонасенков Е.В. Задача нахождения максимального потока в сети / Е.В. Афонасенков, И.А. Степаненко // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии: межвуз. сб. науч. ст. № 4(20) / АТУ. — Астрахань,

2012.-С. 30-34.

Статьи в международных журналах

5. Stepanenko Г.A. Study of Structure and Time Characteristics of Financial Protocols / LA. Stepanenko, V.S. Lukyanov //World Applied Sciences Journal.

2013. Vol. 23 (2). P. 231-235.

Статьи в сборниках международных и российских конференций

6. Степаненко И.А. Исследование характеристик системы электронных платежей методом аналитического моделирования / И.А. Степаненко, B.C. Лукьянов // Сборник научных трудов SWorld : матер, междунар. науч.-практ. конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2013» (19-30 марта 2013 г.). - 2013. - Вып. 1, т. 8. - С. 54-57.

7. Степаненко И.А. Безопасность и анонимность в электронной коммерции / Степаненко И.А. // Научная дискуссия: вопросы технических наук : матер, междунар. науч.-практ. конф. (12 сентября 2012 г.). - Москва: Изд. «Международный центр науки и образования», 2012. - 114 с.

8. Степаненко И.А. Исследование характеристик системы электронных платежей методом имитационного моделирования / И.А. Степаненко, B.C. Лукьянов // матер, междунар. науч.-практ. конф. «Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки» (22-23 мая 2013 г.). - 2013. -Вып. 1, т. 1.-С. 172-174.

9. Степаненко И.А. Параметрическая оптимизация системы электронных платежей / И.А. Степаненко, B.C. Лукьянов И матер, междунар. науч.-практ. конф. «Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки» (22-23 мая 2013 г.). - 2013. - Вып. 1, т. 1. - С. 175-178.

Свидетельства о регистрации программных систем

10. Свидетельство о государственной регистрации программной системы «Программный комплекс для моделирования и анализа системы, построенной на базе протокола "анонимные денежные чеки"» в Федеральной службе по интеллектуальной собственности №2013614985 от 27.05.2013 / И.А. Степаненко, B.C. Лукьянов.

Подписано в печать 25.09 .2013 г. Заказ № 635. Тираж 100 экз. Печ. 1,0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, просп. им. В.И.Ленина, 28, корп. №7.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ВолгГТУ)

04201455688 На правах рукописи

СТЕПАНЕНКО ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ

АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОННЫХ ПЛАТЕЖЕЙ

05.13.01 - " Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор_

Лукьянов Виктор Сергеевич

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Фоменков Сергей Алексеевич

Волгоград-2013

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ............................................5

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОННЫХ ПЛАТЕЖЕЙ.........................................................13

1.1 Базовые протоколы и их применение в системах электронных платежей 13

1.1 Л Протокол доказательства с нулевым разглашением знания................13

1.1.2 Протоколы аутентификации....................................................................15

1.1.3. Схемы затемненной цифровой подписи...............................................17

1.1.4 Схемы разделения секрета.......................................................................18

1.2 Схема взаимодействия участников системы электронных платежей.......19

1.3 Анализ требований к системам электронных платежей.............................20

1.4 Классификация систем электронных платежей...........................................22

1.4.1 Неанонимные системы в режиме реального времени..........................22

1.4.2 Неанонимные автономные системы.......................................................23

1.4.3 Анонимные системы в реальном режиме времени...............................23

1.4.4 Анонимные автономные системы...........................................................25

1.5Анализ финансового протокола "анонимные денежные чеки"..................25

1.5.1 Описание работы финансового протокола "анонимные денежные

чеки" .................................................................................................................26

1.5.2. Математическая и криптографическая основы финансового

протокола "анонимные денежные чеки".........................................................31

1.6 Цель и задачи диссертационного исследования..........................................35

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ДЛЯ АНАЛИЗА И ОПТИМИЗАЦИИ ВЕРОЯТНОСТНО - ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПЛАТЕЖЕЙ......................................................38

2.1. Формализация системы электронных платежей в виде сети массового обслуживания.............................!..........................................................................38

2.3 Исследование систем электронных платежей методом аналитического моделирования.......................................................................................................41

2.3.1. Теоретические основы сетей массового обслуживания......................41

2.3.2 Применение аналитического метода для анализа СЭП........................44

2.4 Разработка алгоритмов имитационного моделирования............................48

2.5 Параметрическая оптимизация системы электронных платежей..............52

2.5.1 Постановка задачи параметрической оптимизации СЭП....................52

2.5.2 Основы теории генетических алгоритмов............................................52

2.5.3 Разработка алгоритма параметрической оптимизации системы электронных платежей......................................................................................62

2.6. Выводы...........................................................................................................67

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ, АНАЛИЗА И ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМЫ

ЭЛЕКТРОННЫХ ПЛАТЕЖЕЙ...........................................................................68

3.1 Выбор средств разработки.............................................................................68

3.2. Функциональное и структурное описание программного комплекса в виде иМЬ диаграмм..............................................................................................68

3.3 Системные требования...................................................................................74

3.4 Выводы.............................................................................................................75

ГЛАВА 4. ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННОГО ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА...............................76

4.1 Результаты исследования методом аналитического моделирования........76

4.2 Результаты исследования методом имитационного моделирования........81

4.3 Результаты параметрической оптимизации системы электронных

платежей.................................................................................................................88

4.4. Выводы...........................................................................................................90

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................93

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................................95

ПРИЛОЖЕНИЕ А - АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ НАСТУПЛЕНИЯ

СОБЫТИЙ ПРИ ИМИТАЦИОННОМ МОДЕЛИРОВАНИИ........................102

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - СВИДЕТЕЛЬСТВО О ГОСУДАРСТВЕННОЙ

РЕГИСТРАЦИИ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ....................................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ В - АКТ ВНЕДРЕНИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «АСС ANALYZER».............................................................................................121

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ГА - генетический алгоритм

ЛПР - лицо, принимающее решение

НД - наличные деньги

СеМО - сеть массового обслуживания

СМО - система массового обслуживания

СЭП - система электронных платежей

ЦБРФ - центральный банк РФ

ЭД - электронные деньги

ЭК - электронная коммерция

ЭЦП - электронная цифровая подпись

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день прослеживается тенденция роста и развития рынка электронной коммерции, в частности систем электронных платежей. Использование электронных денег позволяет сделать процесс платежа быстрым, т.е. нет необходимости выходить из дома и стоять в очереди. Также очевидным недостатком наличных денег (НД) по отношению к электронным (ЭД) является то, что их необходимо носить с собой и они разрушаются.

В России на данный момент функционирует множество систем электронных платежей (СЭП), среди них PayCash, WebMoney, Yandex -деньги, CyberPlat, QIWI и др. По статистике, собранной центральным банком Российской Федерации (ЦБРФ) за последние четыре года, происходит интенсивный рост количества операций, совершенных электронными деньгами. Хотя в настоящее время рынок России и является в большинстве случаев рынком наличности, но все же находится на этапе роста электронной коммерции, т.к. настоящие системы электронной коммерции имеют высокую степень безопасности и люди стали с большим доверием относиться к операциям с электронными деньгами.

В основе любой системы электронных платежей (СЭП) лежит финансовый протокол, который регламентирует взаимодействие между участниками, т.е. покупателем, продавцом и банком. К финансовым протоколам обычно выдвигаются требования, такие как безопасность участников протокола, анонимность.

Дополнительные требования в области информационной безопасности оказывают заметное влияние на выбор технических характеристик компонентов системы электронных платежей. Учет совокупного влияния данных характеристик на функционирование СЭП является достаточно сложной задачей. Поэтому процесс проектирования системы электронных платежей может затягиваться, т.к. на практике требуется обоснованно

выбирать параметры технических компонентов проектируемой системы. К примеру, обосновать такой выбор можно экспериментальным способом с реальной системой электронных платежей, но на практике такой подход не всегда эффективен из-за временных или экономических ограничений. Таким образом, создание средств анализа функционирования систем электронных платежей на основе методов математического моделирования является актуальной задачей.

Случайный характер поступления заявок в систему электронных платежей, а также сложность ее структуры обуславливают применение теории сетей массового обслуживания (СеМО) для анализа вероятностно-временных характеристик СЭП. Научные работы, посвященные исследованию вероятностно-временных характеристик сложных информационных систем, методам определения эффективности работы таких систем, а также исследованию систем электронных платежей, проводились как в нашей стране, так и за рубежом. В развитие данного направления весомый вклад внесли JI. Клейнрок, Г.П.Башарин, Б.Я.Советов, Я.А.Коган, В.А. Жожжикашвили, В.М. Вишневский, В.С.Лукьянов, И.В. Черковский, Д.В. Быков, В.Н. Скакунов, C.B. Запечников, Д. Чаум, O.A. Славин, Г.Л. Смолин, B.C. Цыганков, В.Н. Цыгичко, С.А.Страдымов и др. Отметим, что в литературных источниках отсутствуют алгоритмы имитационного моделирования, отражающие реальные процессы и особенности функционирования систем электронных платежей, которые бы позволили получить детальные вероятностно-временные характеристики СЭП, а также отсутствуют алгоритмы по оптимизации параметров функционирования таких систем.

Данная работа опирается на результаты приведенных исследований и развивает их отдельные положения применительно к задаче исследования структуры и производительности систем электронных платежей.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования системы электронных платежей, построенной на базе

протокола "анонимные денежные чеки", путем разработки алгоритмов для анализа и оптимизации вероятностно - временных характеристик СЭП. Под эффективностью будем понимать значения выходных вероятностно -временных характеристик системы, таких как среднее время обслуживания заявки, коэффициенты потерь.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. на основе анализа литературных данных установить требования к системам электронных платежей и исследовать особенности финансового протокола "анонимные денежные чеки";

2. формализовать процессы функционирования системы электронных платежей в виде сети массового обслуживания;

3. провести исследование системы электронных платежей методами аналитического и имитационного моделирования;

4. разработать алгоритм для оптимизации параметров функционирования системы электронных платежей;

5. разработать программный комплекс, позволяющий на его основе проводить моделирование, анализ и оптимизацию работы системы электронных платежей с применением предложенных алгоритмов;

6. проверить работоспособность и эффективность программного комплекса.

Объектом исследования является система электронных платежей, построенная на базе финансового протокола "анонимные денежные чеки".

Предметом исследования является процесс функционирования системы электронных платежей.

Методы исследования. В ходе исследования были применены методы системного анализа, математического моделирования, теории оптимизации и объектно - ориентированного проектирования программных систем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. предложена модель функционирования системы электронных

платежей в виде сети массового обслуживания, позволяющая на ее основе исследовать вероятностно-временные характеристики СЭП в условиях меняющихся внешних и внутренних факторов;

2. разработан новый алгоритм имитационного моделирования, позволяющий получить выходные вероятностно - временные характеристики СЭП без учета ограничений применяемых аналитических методов расчета;

3. на основе имитационного и генетического алгоритмов разработан и применен оптимизационный метод для новой предметной области -нахождения оптимальных параметров функционирования системы электронных платежей, дающий возможность обосновывать выбор характеристик технических компонентов СЭП.

Практическая значимость и внедрение. Разработанный программный комплекс «АссАпа1у2ег» позволяет инженеру - проектировщику анализировать поведение СЭП в зависимости от входной нагрузки, осуществлять обоснованный выбор технических характеристик компонентов системы на этапе начального проектирования.

Комплекс может найти применение в банковской деятельности, в организациях ведущих проектирование систем электронных платежей, в учебном процессе технических вузов по соответствующим дисциплинам.

Программный комплекс «АссАпа1у2ег» внедрен в учебный процесс на кафедре «ЭВМ и С» Волгоградского государственного технического университета в курсах «Методы и средства защиты информации», «Теория телетрафика».

Получено свидетельство о регистрации программного комплекса «АссАпа^ег» в Федеральной службе по интеллектуальной собственности.

Программный комплекс «АссАпа1угег» внедрен в процесс проектирования систем в защищенном исполнении ООО «ВПО» г. Волгоград, что отражено в соответствующем акте. На защиту выносятся:

1. модель функционирования системы электронных платежей в виде

сети массового обслуживания;

2. алгоритм имитационного моделирования системы электронных платежей;

3. алгоритм для оптимизации параметров функционирования системы электронных платежей;

4. программный комплекс «AccAnalyzer».

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием апробированных методов математического моделирования, исследования операций, системного анализа, совпадением результатов аналитического и имитационного моделирования в общей области исследования, а также подтверждается результатами проверки работоспособности и эффективности применяемых методов в ходе исследования.

Апробация работы. Основные положения исследования докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «ЭВМ и С» Волгоградского государственного технического университета, а также на Всероссийских и Международных научных и научно-практических конференциях: «Научная дискуссия: Вопросы технических наук» (Москва, 2012), «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Одесса, 2013), «Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки» (Москва, 2013) и других. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК, 4 статьи в сборниках трудов конференций, 1 статья в зарубежном журнале, входящем в международную базу цитирования «Scopus», получено 1 свидетельство о регистрации программной системы.

Структура и содержание диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, а также библиографического списка с 70 наименованиями и приложений. Общий объем работы 118 страниц, в том числе 29 рисунков и 4 таблицы.

В первой главе рассматриваются классификация и структура систем электронных платежей. Приводится модельное представление такой

Анализируются требования, выдвигаемые к системам электронной коммерции, а также приводится описание базовых криптографических схем, на которых они основываются.

Подробно рассматривается финансовый протокол "анонимные денежные чеки", который позволяет построить на его основе систему, удовлетворяющую всем требованиям, выдвигаемым к системам электронных платежей. Приводятся четыре модификации данного протокола, и описывается применяемый математический аппарат.

По результатам анализа делается вывод о необходимости исследования процессов функционирования системы электронных платежей, что позволит создать средства для ее анализа, формулируется цель и задачи исследования.

Во второй главе приводится обзор основных положений теории сетей массового обслуживания и обосновывается ее применение для исследования системы электронных платежей. Предлагается модель системы электронных платежей в виде сети массового обслуживания, описываются применяемые аналитические методы, такие как метод Бузена и метод средних значений. Разрабатываются алгоритмы имитационного моделирования системы электронных платежей, которые позволят получить детальные вероятностно - временные характеристики СЭП. Разрабатывается алгоритм параметрической оптимизации СЭП, позволяющий повысить эффективность ее функционирования, а также предоставит возможность осуществлять обоснованный выбор ее технических характеристик.

В третьей главе описан разработанный программный комплекс для моделирования, анализа и оптимизации работы системы электронных платежей «АссAnalyzer». Приводится диаграмма вариантов использования комплекса и описание основных технических решений, принятых при разработке отдельных подсистем.

В четвертой главе проведен анализ работоспособности и эффективности программного комплекса «AccAnalyzer».

Для оценки эффективности предлагаемых алгоритмов были проведены расчеты на основе данных, предоставленных инженером - проектировщиком из внедряющей организации и подобраны параметры системы, которые минимизируют ее выходные вероятностно - временные характеристики.

В приложении приведены документы о внедрении результатов работы.

Работа выполнена на кафедре «ЭВМ и системы» Волгоградского государственного технического' университета.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОННЫХ ПЛАТЕЖЕЙ

■

Финансовый протокол (ФИ) - протокол, использующийся торговыми системами для совершения финансовых операций [21].

В основе любой системы электронных платежей лежит ФИ, который регламентирует взаимодействие �