автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.15, диссертация на тему:Анализ структурных решений при формировании компьютерной сети ВУЗа

005013090

На правах рукописи

ГОРШКОВ ГЕОРГИЙ СЕРГЕЕВИЧ

АНАЛИЗ СТРУКТУРНЫХ РЕШЕНИЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ ВУЗа

Специальность 05.13.15 - Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 МДР 10.2

Москва-2012 г.

005013090

Работа выполнена на кафедре «Вычислительные системы и сети» Московского государственного института электроники и математики

Научный руководитель: Саксонов Евгений Александрович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Митрофанов Сергей Александрович

доктор технических наук, профессор

Фролов Евгений Борисович доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: ФГАУ ГНИИ информационных технологий и

телекоммуникаций «Информика»

Защита состоится апреля 2012 г. в /I е° часов на заседании

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ.

Автореферат разослан марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

Леохин Ю.Л.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие высшей школы в Российской Федерации неразрывно связано с применением современных информационных технологий, позволяющих реализовать новые направления в организации учебного процесса и управлении высшим учебным заведением, повысить качество и расширить спектр предоставляемых студентам и сотрудникам образовательных и управленческих услуг.

Основой информатизации ВУЗов являются компьютерные сети, объединяющие информационные, вычислительные и телекоммуникационные ресурсы в единую систему. Работа компьютерной сети современного высшего учебного заведения имеет свою специфику, заключающуюся в необходимости обеспечения учебного процесса и управления ВУЗом, одновременном функционировании большого количества различных приложений, необходимости поддержки интерактивной работы пользователей в произвольном режиме доступа, передаче разнообразного трафика с обеспечением заданного качества, обеспечении доступа к территориально распределенным информационным ресурсам подразделений.

Все это делает сеть сложной многофункциональной системой, совмещающей большое количество разнообразных технологий передачи и обработки информации, разработка и анализ которой связаны с предварительным проведением комплексных исследований по оценке ее характеристик в зависимости от принимаемых решений. Целесообразность таких исследований связана также с тем, что финансовые возможности многих ВУЗов ограничены и неудачные решения приводят либо к необходимости внесения изменений в процессе эксплуатации сети, либо к ухудшению ее характеристик, что в обоих случаях связано с повышением расходов на эксплуатацию сети.

Значительное влияние на характеристики компьютерной сети оказывает ее структура, которая определяет параметры потоков данных, возможности управления сетью, качество предоставляемых услуг и надежность. Поэтому задачи анализа структурных решений при создании сети, остаются на сегодняшний день и в обозримой перспективе одними из важных для разработчиков и администраторов компьютерных сетей.

Таким образом, можно сделать вывод, что тематика диссертационной

3

работы является актуальной, а полученные результаты имеют важное практическое значение.

Целью работы является разработка методов и математических моделей для решения задач выбора параметров структуры компьютерной сети, с учетом особенностей ее эксплуатации, обеспечивающих эффективность ее применения для поддержки учебного процесса и управления работой ВУЗа.

Для достижения поставленной цели были проведены исследования по следующим направлениям:

1. Анализ перспективных направлений развития высшей школы и возможностей их поддержки с помощью современных информационных технологий.

2. Анализ задач информатизации ВУЗа, решение которых обеспечит совершенствование и развитие учебного процесса и управления ВУЗом.

3. Исследование особенностей работы и формирования компьютерной сети ВУЗа.

4. Разработка комплекса математических моделей для решения задач формирования структуры, анализа работы узлов и обеспечения заданного уровня надежности компьютерной сети.

На защиту выносятся следующие результаты проведенных исследований:

• комплекс базовых задач по созданию компьютерной сети ВУЗа, являющихся типовыми для большинства ВУЗов Российской Федерации;

• математическая модель, позволяющая формировать структуру базовой сети, с учетом наличия нескольких провайдеров и веса узлов сети;

• математические модели для оптимизации размещения информационных ресурсов в сети, позволяющие вычислять и минимизировать затраты на оплату услуг связи;

• математические модели для анализа работы специализированных узлов сети, ориентированных на прием документов и обработку запросов пользователей в режиме ожидания ответов;

• математические модели для расчета и оптимизации параметров политики резервирования, обеспечивающей заданный уровень надежности сети при ограниченных затратах.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является

компьютерная сеть, ориентированная на решение задач обеспечения учебного процесса и управления высшим учебным заведением.

Предметом исследования являются модели, устанавливающие зависимости и связи между структурными решениями компьютерной сети и ее характеристиками.

Методы исследования определялись спецификой решаемых задач и поставленными целями. В работе использовались методы системного анализа, теории множеств, теории графов, теории очередей, теории вероятностей, проектирования информационных систем.

Научная новизна результатов диссертации связана выявлением связей и зависимостей между параметрами структуры компьютерной сети и ее характеристиками, позволившими разработать комплекс математических моделей для расчета характеристик сети в зависимости от принимаемых структурных решений, с учетом требований к качеству предоставляемых услуг и применяемых технологий для их реализации.

Практическая значимость результатов диссертации обусловлена ориентацией на возможность практического применения предложенных моделей и алгоритмов и разработкой правил и рекомендаций для их применения в зависимости от специфики ВУЗа, позволяющих обеспечить эффективное решение задач организации учебного процесса и управления.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертации основаны на соответствии разработанных моделей, алгоритмов и правил их применения реальным условиям работы компьютерной сети и реализуемым на ее основе технологиям, корректности применения математических методов при построении и анализе моделей и алгоритмов, а также на данных о практическом применении результатов при создании и эксплуатации реальной сети.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ХЬУ1 Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии, Москва, РУДН, 2010; международной научно-практической конференции «Суперкомпьютеры: вычислительные и информационные технологии», Хабаровск, ТОГУ, 2010; научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, РГРТУ, 2010; 2-й международной научно-праюгической конференции «Современные информационные компьютерные

технологии» (mcIT - 2010), Беларусь, Гродно, ГрГУ, 2010, а также на семинарах в МФЮА и МИЭМ.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 10 работ из них 2 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, содержащего 119 наименования. Объем диссертации 131 страница

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается выбор темы исследований, устанавливаются цели и задачи исследований, перечисляются основные результаты и определяются их научная и практическая значимость, приводятся данные об апробации основных результатов диссертации, числе публикаций и структуре работы.

В первой главе исследованы тенденции развития компьютерных сетей высших учебных заведений Российской Федерации

Важнейшим направлением проводимых в высшей школе реформ является информатизация на базе перспективных информационных технологий. Развитие этого направления, и такой его ветви, как компьютерные сети, непосредственно связано с особенностями развития современного ВУЗа, управления его деятельностью и организацией учебного процесса.

Сегодня и на обозримую перспективу ВУЗы должны стать одними из наиболее востребованных потребителей новых информационных технологий, осуществляющих их изучение, развитие и практическое применение.

Важными направлениями развития ВУЗов, связанными как с технологическими факторами работы ВУЗа, так и с повышением требований к организации учебного процесса и оказывающими большое влияние на создание и развитие компьютерных сетей являются: территориальная распределенность подразделений; расширение спектра предоставляемых образовательных услуг; связь с внешними организациями; автоматизация функций управления; проведение научных исследований.

В Российской Федерации широкому применению современных IT решений в высшей школе во многом способствуют Федеральные и отраслевые программы, национальный проект «Образование», анализ которых позволил

сделать вывод, что центр тяжести в решении задач информатизации высшего образования перемещается в ВУЗы, где ведущее место занимают задачи создания компьютерных сетей.

Проведенный анализ показал, что современный ВУЗ это крупная корпорация, для обеспечения бизнес-процессов и управления которой, необходима соответствующая инфраструктура, в основе которой лежит корпоративная компьютерная сеть ВУЗа. Целями создания сети являются: повышение качества предоставляемых образовательных услуг; обеспечение потребностей обучаемых установленных соответствующими стандартами, законами и правилами; получение экономического, социального эффектов и имиджа, связанных с необходимостью привлечения инвестиций, контингента обучаемых, модернизации и расширения набора бизнес-процессов.

Достижение указанных целей и особенности функционирования сети обуславливают целесообразность разработки и применения специальных методов, обеспечивающих эффективное применение информационных технологий, проведение предварительного анализа бизнес-процессов и способов их информационной поддержки. При этом необходимо учитывать направления подготовки, возможности ВУЗа и потребности учебного процесса.

Анализ компьютерных сетей, созданных и функционирующих в ряде ведущих ВУЗов России позволил выделить общие принципы построения таких сетей, применяемые технологии и сделать следующие выводы:

- структура сети, как правило, соответствует структуре ВУЗа;

- в сети применяются технологии передачи и обработки данных, обеспечивающие реализацию необходимых технологий обучения с заданным качеством;

- основу сети составляет базовая сеть, построенная с привлечением внешних операторов (провайдеров), объединяющая узлы, к которым подключаются подсети, обслуживающие удаленные подразделения;

- все пользователи сети имеют выход в Интернет, обеспечивающий получение требуемых сервисов.

- сеть обеспечивает бесперебойное обслуживание пользователей на протяжении периода времени, определяемого потребностью учебного процесса.

Разработана обобщенная структура сети. Для оценки качества работы сети определена система количественных характеристик.

Определены современные технологии, которые целесообразно использовать при формировании структуры сети, ориентированной на поддержку и реализацию основных направлений развития ВУЗа.

Показано, что среди технологий передачи данных наиболее перспективными в данном случае являются технология мультисервисных сетей и технология NGN. Достоинства сетей, построенных с применением указанных технологий, это предоставление современных высокоскоростных сервисов, масштабируемость, мультипротокольность, возможность управления трафиком, управление качеством обслуживания (QoS), наличие механизмов защиты.

Потребность в обслуживании мобильных пользователей компьютерной сети ВУЗа, а также необходимость связи между территориально распределенными подразделениями при сокращении затрат на создание каналов связи, обусловили применение технологий беспроводной передачи данных, к наиболее перспективным из которых относятся Wi-Fi и WiMAX, в совокупности закрывающие потребности в обеспечении беспроводной связи.

Также исследованы перспективные технологии организации вычислений в компьютерной сети ВУЗа, дающие возможность предоставить требуемые услуги при ограниченных затратах за счет структурных решений, путем разделения ресурсов между пользователями и ВУЗами, создания надежной вычислительной среды.

Так, большое количество пользователей Интернет в ВУЗе и большие объемы передаваемой по арендуемым каналам связи информации, часто приводят к значительным затратам на оплату трафика, особенно при использовании услуг внешних Интернет-провайдеров и операторов связи.

Исследованы возможности технологии CDN, которая может применяться в современном ВУЗе для сокращения затрат при информационном обмене между пользователями и ресурсами, находящимися в удаленных узлах.

В раках сети ВУЗа возможно еще одно решение - это выбор места размещения контента в компьютерной сети, так, чтобы минимизировать затраты на доступ к нему всех пользователей сети. При реализации этого решения не создаются копии.

Обеспечению высокой надежности сети в ВУЗе должно уделяться особое внимание, поскольку именно за счет повышения надежности возможна реализация несанкционированного по времени доступа пользователей сети к

информационным и сетевым ресурсам, обеспечение дистанционного обучения при наличии обучаемых в регионах с различным местным временем.

Обеспечение заданного уровня надежности, как правило, достигается за счет резервирования. Резервными средствами, представляющими интерес, являются резервные элементы, включаемые в структуру сети (серверы) и резервные возможности в выполнении элементами системы ряда функций.

Результаты анализа позволили определить направления исследований, проводимых в диссертации.

Во второй главе сформулированы типовые задачи формирования структуры сети и анализа структурных решений, решаемые в диссертации, которые наиболее часто возникают при формировании компьютерной сети. Предложены постановки задач и подходы к их решению, учитывающие возможности современных технологий.

1. Формирование структуры сети с учетом территориальной распределенности подразделений.

При решении задачи важным фактором является необходимость привлечения нескольких операторов связи, в случае отсутствия каналов у одного оператора. Предлагается подход к решению задачи, основанный на формировании и анализе структуры сети, объединяющей коммуникационные узлы, к которым подключаются рабочие станции и локальные сети подразделений, с применением базовой сети. Размерность задачи в этом случае резко снижается, что дает возможность привлекать для ее решения классические методы и получать точные результаты. Поскольку коммуникационные узлы связывают каналы операторов, появляется возможность учитывать возможности операторов связи.

Предложенный подход дает возможность масштабировать решаемую задачу, исследуя связи между региональными узлами, и в пределах одного региона. Его можно использовать и для исследования эффективности применения пиринга в сложных структурах.

2. Обеспечение доступа к удаленным информационным ресурсам.

В данном случае решаются частные задачи размещения контента с учетом необходимости его обновления, что характерно для контента используемого в учебном процессе (дистанционное обучение, например) и размещения контента в узлах сети ВУЗа.

В первом случае определяется размещение копий с учетом платы за обновления, а во втором случае отсутствует необходимость в обновлении содержания копий контента, нет необходимости создавать СЭЫ, что во многих случаях доступа к удаленным ресурсам, размещенным в сети ВУЗа более предпочтительно. При решении необходимо учитывать интенсивность обращения пользователей к ресурсам, объемы и тарифы за передачу трафика.

3. Создание и анализ работы специализированных узлов, ориентированных на решение специальных задач.

Среди множества таких задач представляют наибольший интерес, автоматизированная обработка поступающих документов и управление обработкой запросов пользователей сети.

Первая задача связана с внедрением электронной обработки документов, при которой возможен удаленный прием документов (например, свидетельства о сдаче ЕГЭ, заявления от абитуриентов, результаты работ при дистанционном обучении). Решение задачи основано на создании узлов предварительного контроля и регистрации поступающих документов, особенностью работы которых является необходимость контроля и устранения ошибок. Задачей анализа такого узла является определение состава и загрузки оборудования, времени обработки документа, обеспечивающих экономическую целесообразность создания и эксплуатации узла.

Вторая задача связана с построением и анализом специализированных узлов обработки запросов пользователей (при дистанционном обучении, выполнении заданий в ВУЗе, формировании учебных планов, расчете нагрузки и т.д.). Особенностью работы таких узлов является большое число типов запросов, требующих привлечения различных приложений и дисциплина обработки, при которой невозможна обработка нового запроса до окончания обработки ранее поступившего. Задачей анализа работы узла является определение времени обработки запросов пользователей в зависимости от производительности узла.

4. Обеспечение заданной надежности функционирования сети.

Для исследования выбрано комплексное резервирование элементов и возможностей. Целью решения является выбор политики резервирования, которая заключается в определении количества резервных серверов и их функций. Здесь важно, что избыточный резерв приводит к необоснованным

затратам на резервирование, а недостаток резерва, к затратам, связанным с простоем в обработке запросов пользователей (отказ в обслуживании). Задача должна решаться с учетом возможностей резервных серверов по замене основных.

Следует отметить, что каждая из перечисленных задач связана с формированием структуры или расчетом ее параметров.

Получено решение задачи формирования структуры базовой сети ВУЗа, объединяющей узлы его территориально распределенных подразделений. Решение основано на использовании теории графов и предусматривает сокращение общих затрат на создание и эксплуатацию магистральных каналов связи, построение устойчивой, легко масштабируемой сетевой структуры.

Задан исходный граф базовой сети G(X,Г), где Х={х1,х1,...,х„} -множество вершин графа, соответствующее множеству коммуникационных узлов (N— общее число узлов, вершина x¡ соответствует узлу i), а Г = {(х,,д^)},

(i,j = ],2,...,N) - множество ребер графа, соответствующее возможным каналам связи между узлами, задаваемое парами (x¡,xj), где каждой паре (ребру)

(х„хЛ соответствует канал связи между узлами (вершинами) i и j. Г = \Т,

1 м '

где Гу - подмножество ребер, соответствующих каналам связи провайдера i.

Каждое ребро, соответствующее каналу связи провайдера i между вершинами тип- (хт,ха), имеет вес и>({хт, хп)) > 0. Вершина графа - xj

к

также имеет вес v(x,) = Ev.(j:;), где v, (х.) - часть веса вершины у, связанная с

Ы

обслуживанием каналов провайдера номер /', подключенных к этому узлу. Общий вес графа - V(G(X,T)) = t v(x.) + f ¿ *,) •

Jmt J=t/n«|ft-|

Задача сводится к построению графа, имеющего минимальный вес. При этом должны выполняться ограничения, связанные с возможностями провайдеров, связностью графа. Получаемое решение может значительно отличаться от классического, связанного с построением минимального покрывающего дерева, когда веса вершин не учитываются.

Разработана модель для решения задачи минимизации затрат при обеспечении доступа к удаленным ресурсам.

Каждый j пользователь работает с ресурсом т с вероятностью 1 ¿ qJm 0,

и

(/ = 1,2,...Д; т = 1,2,—М), X <7> =' • Интенсивность потоков запросов

пользователей задается вектором 'к=(А1,Лг,...,А11,), где ю>£0 интенсивность суммарного потока запросов пользователя к к ресурсам сети, тогда -

интенсивность потока запросов пользователя к к ресурсу т.

Структура сети и затраты на передачу единицы трафика задаются матрицей С=||с^||, (у = 1, 2, ...Д)> где е.. - стоимость передачи единицы трафика по каналу связи между узлами и у (если эти узлы связаны каналом связи), и Су =0, если узлы / иу" не связаны каналом связи. Размещение ресурсов на узлах сети задается матрицей И =|| Л, II, (/' = 1,2,...,М;у = 1 Д....Д), где г9 = 1, если ресурс номер / размещен на узле номер у и = 0, если ресурс номер / не размещен на узле номеру. Распределение пользователей по узлам сети задается матрицей О =||||, (/ = 1,2,...Д; у = 1,2,...,К), где если пользователь

подключен к узлу/ и с1и = 0, если пользователь / не подключен к узлу у.

Объемы запросов к ресурсам задаются вектором = (уо1,уО2,...,у0М) , а объемы ответов на запросы вектором VI = ^п,у12,...,уш) .

Маршруты передачи данных между узлами / и у задаются маршрутными матрицами Н(г',у) =|| КЛ^]) II, (/' ,у, т,п= 1,2,...Д), где КЛ',/) = 1, если для передачи данных между узлами г и у используется канал связи между узлами т и и, и Ьтп (г, у) = 0> если канал связи между узлами т и п не используется для

передачи данных между узлами / и у. Стоимость передачи единицы трафика к к

между узлами сп ~

тп ]/2

т=1и=1

Величина затрат на передачу единицы трафика от узла г к ресурсу у к

- 2 ГДС/* . Полная величина затрат на передачу трафика при работе

пользователей узла г с ресурсом у, с учетом интенсивностей и объемов запросов

и ответов на запросы: 4(С,Л,О) = + у,т)].

Величина затрат во всей сети на передачу трафика при работе пользователей с ресурсами, при заданном распределении ресурсов и

м к

пользователей по узлам сети:

'=1 н

Если в узле размещается копия ресурса, то появляются затраты, связанные с его актуализацией. Пусть точкой входа в сеть ВУЗа является узел к (1 К), интенсивности потоков обновлений ресурсов задаются вектором •>Угт->7м), объемы данных для обновлений ресурсов задаются вектором уу = (н',,и'2,..,н'Л/) и задан вектор 2 = (21>22,-,2м), элемент которого гт = 1, если ресурс т является копией внешнего ресурса и гт =0, если ресурс т не копия. Тогда суммарные затраты на обновление ресурсов-копий, вычисляются м

по формуле: ^.СЯ) = .

т=1

Для оптимизации затрат на эксплуатацию сети целесообразно оптимизировать оплату трафика, передаваемого по арендованным каналам связи. Задача оптимизации может быть, в данном случае, сформулирована

следующим образом: найти ^«^{^(С.^^ + ^.С^)} прИ 0ГраничснияХ)

связанных со структурой сети, возможностью размещения контента на узлах.

В третьей главе приводятся разработанные математические модели, для решения задач анализа работы узлов и повышения надежности сети.

Разработана модель узла предварительной обработки документов, где производится поиск и устранение ошибок у принимаемых в информационную систему ВУЗа документов. Узел подготовки состоит из М, устройств (программ), на которые поступают документы от источников, число которых равно Д. Задана матрица распределения источников по устройствам - Ъ. Каждый источник } характеризуется интенсивностью потока документов, передаваемых в систему - Яу. >0 (/' =1,2,-Л) и интенсивностью потока ошибок в документе, который считаем пуассоновским с параметром >0 (/ = 1, 2,...,

Щ. Ошибки возникают во время формирования документа на источнике. Длительность проверки правильности документа и длительность устранения ошибки в документе на устройстве т - случайные величины с функциями

распределения вт(/) = 1- е~г-' (ут > 0) и Вт (Г) = 1 - е^-' (рт > 0). Получены производящая функция числа ошибок в документе от источника у.

и безусловная производящая функция числа ошибок в

г , ¿ (У2

произвольно взятом документе: л^х> ~ Z/ д^. (1 _ + ^.) • Документ, который

не удастся полностью исправить, изымается.

Для устройства номер т, как СМО типа M/G/1/оо, получены следующие результаты: ПЛС функции распределения длительности обработки документа:

(/„(i) - ПЛС функции GJt))- загрузка:

R j Я ц.

—среднее время ожидания в очереди: *=| /т j=l >4>m

"д ; интенсивность потока дефектных документов:

Al-hmWJmV лот=ли(г)?о(«)-

Для определения оптимального числа устройств построен функционал,

MR к

определяющий качество работы узла:

1 /'1 rrr=l

Полученные результаты позволяют планировать затраты на создание узла в зависимости от интенсивности потока документов, качества документов и производительности оборудования.

Построена математическая модель для расчета характеристик узла обработки запросов. В качестве модели узла используется многоканальная замкнутая СМО, состоящая из обслуживающего устройства (сервер узла) и N каналов (каналы связи), по которым поступают взаимно независимые потоки запросов. Обслуживающее устройство, в соответствии с заданным алгоритмом, подключается к каждому каналу и осуществляет обработку имеющихся там запросов. Каждый канал представляется в виде конечного источника запросов.

Времена обработки запросов в каналах независимые случайные величины -p¡ с функциями распределения B,(t) (i - номер канала (очереди)) и конечными первыми и вторыми моментами. Исследованы два случая, когда очередь для обслуживания выбирается случайным образом и когда обслуживание очередей происходит в циклическом порядке.

Для поведения анализа построена и исследована вложенная цепь Маркова.

14

Получено ПЛС функции распределения длительности ожидания сообщением в очереди г: ¿»,(У) = г]/?^/)!^^1'"»^:)^}]/^^:)/!,^""1^/),

I О 1

функция распределения длительности обработки запроса - (1 - е"1''). С учетом того, что 4>0, получено: «)(л)=—4—^(ЛЬхО), откуда среднее время

ожидания в / очереди: Щ = (хА -1+^(1))/(А -^¿(Л.))) Выведены формулы для вычисления функции х (я) в зависимости от алгоритма выбора очереди.

Разработан комплекс моделей расчета надежности в зависимости от политики резервирования. Эффективность политики резервирования определяется суммарной величиной затрат, связанных с приобретением дополнительного (резервного) оборудования, отсутствием резерва для вышедшего из строя (отказавшего) оборудования, простоями излишнего резервного оборудования.

Рассмотрены следующие типы затрат: £0(А/,а) - затраты, связанные с приобретением и обслуживанием М резервных серверов; ^(ЛГ.М.р.я) -затраты, связанные с отсутствием резервов у вышедших из строя основных серверов; (Я, А/,р^) - затраты, связанные с избыточным резервированием.

Эффективность политики резервирования измеряется значением функции: + +

Исследованы различные варианты политики резервирования, дая которых построены математические модели, позволяющие оценивать их эффективность. Исследован случай, когда резервируются всеN основных серверов {М=Щ.

Н

В этом случае 50(ЛГ,а) = £а,. 5,(^,^,8) = 0. Для несимметричной системы

серверов, где вероятности отказов задаются вектором Р = ОиЛ >■•■>/'//), вероятность отказа ровно к серверов вычисляется с использованием

обобщенного биномиального распределения. Среднее значение и дисперсия

К

числа вышедших из строя серверов: Щ = ^Рк, = (1-р )■ Если задан

к* 1 1=1 *

вектор отказавших основных серверов г = (грг2,...,гч), где г,=1, если отказал сервер 1 и г. = 0, если сервер / не отказал, то формула для вычисления

вероятности заданного значения вектора г имеет вид:

ы

Вектор незадействованных резервных серверов г0(г)=(г01 (г),га2(г),...^,м(г)) вычисляется по формуле: г0(г) = (е„ -г), здесь г0.(г)= 1, если резервный сервер номер у пе задействован (лишний), г0/(г) = О, ест резервный сервер номер у задействован; ем - единичный вектор размерности М. Получено:

N

S2{N,M,l>,g) = '£|q(г,•p)(£¡(\-ri)g¡)_ Общие затраты при данной политике

г /-1

резервирования: 5'(#,ЛГ,р,а,8,е)=£0(#,а) + 52(М,М,р^)=;£а, +Е<?(г,р)(е1У

Этот результат можно считать верхним пределом затрат на резервирование.

Исследованы также два варианта политики резервирования, которые наиболее часто применяются на практике: использование ориентированных резервных серверов, когда каждый резервный сервер закреплен за одним основным сервером; использование универсальных резервных серверов, когда каждый резервный сервер может заменить любой основной сервер.

Ориентированные резервные серверы. Множество резервных серверов и их закрепление за основными серверами задается вектором с! = (</,,с/2'-><4)> где с11 — 1, если за основным сервером номер / закреплен резервный сервер и <1, =0, если за основным сервером номер / не закреплен резервный сервер. При

N

этом 50 (ЛГДя) = 5/7,4 _ /=1

Если группа отказавших основных серверов задается вектором г и задан вектор |1, то можно определить вектор /(г,ф = (я,(г,(1),г,(г,(1),...,2Ы (г,с!)) вышедших из строя основных серверов, для которых есть резервные серверы. Здесь 2,(г,с1) = 0, если для отказавшего основного сервера номер /, нет резерва или сервер номер / не отказал, и г,(г,с1) = 1, если для отказавшего основного

N

сервера номер /, есть резерв. Тогда = 5^{9(г»Ри

г ¡=1

N

Формула для вычисления общих

г (=1

N N N

затрат: ^А/Др,ал§)

1 ) г 1=1 Г

Полученные результаты позволяют решать задачу поиска оптимальной политики резервирования, которая сводится к поиску вектора (1.

Универсальные резервные серверы. Число резервных серверов М< ЛГ. В данном случае Ба(Ы,а) — Ма.

Общее число отказавших серверов при заданном векторе г:

N

гп (г) = 2 г, = е „г. Если т(г) й М, то заменяются все отказавшие основные

/-1

серверы и 5,(ЛГ,А/',р)8) = 0, а если т(г)> М, то возникает задача выбора отказавших серверов, которые будут заменяться резервными. Решением задачи считается такая замена, при которой величина ^(Л^.Л/, р.в) будет минимальной. Для заданного вектора г определен вектор замены 11(М,г) = (А,{М,г),/г2(М,г),...,Ин(М,г)), где к(М,г) = 1, если отказавший основной сервер номер / заменяется резервным, и к,{М,г) = 0, если отказавший основной сервер номер г не заменяется резервным. Если известен вектор Ь(М,г), то р,я)= I) ч(г,, р)(( г^ - И (М, г, ))$). Функция затрат,

'I

1>М

связанных с лишними резервными серверами: р,#) = Ц<7(г„р)(М-

к<М

Общие затраты на эксплуатацию системы:

Л/-1

^ к=О

к>М

Сформулирована задача поиска значения М (числа резервных серверов), для минимизации общих затрат на обеспечение надежности.

В четвертой главе приводятся результаты применения разработанных методов и моделей при формировании компьютерной сети МФЮА.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Проведен анализ основных направлений развития высшей школы Российской Федерации и, соответственно, развития ВУЗов, позволивший выделить основные тенденции и их связь с процессами информатизации ВУЗов. Это дало возможность выделить основные направления

информатизации, особенности создания компьютерных сетей ВУЗов, базовые информационные технологии как основы для развития компьютерных сетей.

2. Выделены базовые направления развития компьютерной сети современного ВУЗа, основанные на формировании структуры сети, что позволило сформулировать комплекс типовых задач, решение которых позволяет сформировать структуру и улучшить характеристики сети, ориентированные на повышение эффективности образовательного процесса и процесса управления ВУЗом, при соблюдении ограничений связанных с финансированием.

3. Разработан комплекс математических моделей для решения задач формирования структуры базовой сети ВУЗа, объединяющей узлы территориальных подразделений. Особенностью моделей является возможность учета весов узлов и выбора провайдеров связи, что отличает их от известных «классических» моделей для анализа базовых сетей.

4. Разработан комплекс моделей для решения задач организации доступа к распределенным ресурсам, ориентированных на минимизацию затрат на оплату услуг провайдеров связи. Модели учитывают интенсивность запросов к ресурсам и необходимость их регулярной актуализации, что позволяет применять их как для анализа типовых решений на основе СБ1Я, так и для решения задач внутри конкретной сети ВУЗа.

5. Разработан комплекс моделей для анализа работы специализированных узлов сети, ориентированных на прием и предварительный анализ документов и обработку запросов в режиме ожидания ответов, которые формируются в процессе обучения как непосредственно в ВУЗе, так и при дистанционной форме. Модели позволяют определять необходимые параметры узлов и их оборудования (серверов) для обеспечения требуемых характеристик работы.

6. Разработан комплекс математических моделей для выбора политики резервирования серверов при обеспечении заданного уровня надежности сети. Модели дают возможность учитывать и оптимизировать затраты связанные с избыточным и недостаточным резервированием, определять порядок введения резервных серверов при отказе основных.

7. Результаты исследований применялись при создании компьютерной сети МФЮА, что позволило выбрать приемлемые с экономической точки зрения решения, обеспечивающие заданные характеристики сети.

Результаты диссертационной работы могут быть полезны администраторам компьютерных сетей ВУЗов для определения параметров и режимов работы оборудования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Горшков Г.С., Саксонов Е.А., До Чунг Тхоай, Нгуен Ксуан Фыонг. Модели анализа системы подготовки документов. Системы управления и информационные технологии, № 4.1 (42), 2010. - С. 128 -131.

2. Горшков Г.С., Никитин Е.В., Саксонов Е.А. Задача формирования структуры базовой сети // Вестник ТОГУ, 2(17), 2010. - С. 59 - 66.

3. Gorshkov G.S., Saksonov Е.А., Do Trung Thoai, Nguyen Xuan Phuong. Mo hinh phan tich he thong chuan bi tai lieu chung tu. Tap chi "Khoa hoc cong nghe giao thong van tai" cua Truong Dai hoc Giao thong van tai TP HCM. So 1 thang 3 nam2011.Trg 7-8).

4. Горшков Г.С. Анализ системы обработки запросов II Стохастическое и компьютерное моделирование систем и процессов: сб. науч. ст. / ГрГУ им. Я. Купалы; редкол.: Л.В. Рудакова (гл. ред.) [и др.]. - Гродно: ГрГУ, 2011.-С. 217 -222.

5. Горшков Г.С., Никитин Е.В., Саксонов Е.А. Формирование структуры базовой сети // Стохастическое и компьютерное моделирование систем и процессов: сб. науч. ст. / ГрГУ им. Я. Купалы; редкол.: Л.В. Рудакова (гл. ред.) [и др.]. -Гродно: ГрГУ, 2011. -С. 222-226.

6. Горшков Г.С., Саксонов Е.А. Модели анализа надежности компьютерной сети ВУЗА // Программные информационные системы: Me жвузовский сборник научных трудов / Под ред. А.Н. Пылькииа - Рязань (РГРТУ), 2011.-С. 78-89.

7. Горшков Г.С., Нгуен Канх Тоан. Расчет характеристик корпоративной сети с миграцией контента // Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций: Материалы конференции. -Рязань, РГРТУ, 2010. - С. 53 - 55.

8. Горшков Г.С. Модели резервирования многосерверных систем // Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций: Материалы конференции. - Рязань, РГРТУ, 2010.-С. 50 -53.

9. Горшков Г.С. Модель расчета характеристик корпоративной сети с миграцией контента // ХЬУ1 Всероссийская конференция по проблемам математики, информатики, физики и химии. Тезисы докладов. Секции математики и информатики. М.: РУДН, 2010. - С. 51 - 52.

10. Бодров А.А., Горшков Г.С., Саксонов Е.А. Система подготовки документов. Расчет характеристик. II Суперкомпьютеры: вычислительные и информационные технологии: Материалы международной научно-практической конференции. - Хабаровск, ТОГУ, 2010. - С. 161 -168.

Подписано в печать 20.03.2012 г. Формат 60x90 1/16 Печать на ризографе. Тираж 100 экз. Заказ № 7156. Объем: 1,0 усл. п.л.

Отпечатано в типографии ООО "Алфавит 2000", ИНН: 7718532212, г. Москва, ул. Маросейка, д. 6/8, стр. 1, т. 623-08-10, www.alfavit2000.ru

61 12-5/2482

На правах рукописи

ГОРШКОВ ГЕОРГИЙ СЕРГЕЕВИЧ

АНАЛИЗ СТРУКТУРНЫХ РЕШЕНИЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ ВУЗа

Специальность 05.13.15 - Вычислительные машины, комплексы и

компьютерные сети

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, д.т.н. Саксонов Е.А.

Москва - 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ..........................8

1.1. Задачи внедрения и освоения информационных технологий в высшей школе России..........................................................................................8

1.1.1. Современные тенденции развития ВУЗов России.................................8

1.1.2. Внедрение информационных технологий в высшей школе................12

1.1.3. Основные направления внедрения информационных технологий.....16

1.2. Компьютерные сети высшей школы России..........................................19

1.2.1. Компьютерная сеть МГУ........................................................................20

1.2.2. Корпоративная сеть ЛЭТИ......................................................................22

1.2.3. Компьютерная сеть МФТИ.....................................................................23

1.2.4. Компьютерная сеть МИФИ.....................................................................25

1.3. Специфика создания телекоммуникационной системы и компьютерной сети высшего учебного заведения России..........................27

1.3.1. Особенности формирования и функционирования корпоративной информационно-телекоммуникационной системы ВУЗа..............................28

1.3.2. Структура корпоративной компьютерной сети современного ВУЗа.32

1.3.3. Характеристики сети................................................................................35

1.4. Технологии передачи данных и организации вычислений в сети ВУЗа........................................................................................................................35

1.4.1. Технологии передачи данных в компьютерной сети ВУЗа.................36

1.4.2. Технологии организации вычислений...................................................42

Выводы..................................................................................................................48

2. ЗАДАЧИ АНАЛИЗА СТРУКТУРНЫХ РЕШЕНИЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ ВУЗА....................................................................49

2.1. Задача формирования структуры сети......................................................50

2.2. Математическая модель для решения задачи анализа и формирования структуры базовой сети.......................................................................................54

2.2.1. Описание сети. Подходы к решению задачи.........................................54

2.2.2. Задача формирования структуры базовой сети....................................57

2.3. Задача организации доступа к удаленным ресурсам............................64

2.3.1. Модель сети с миграцией контента........................................................65

Выводы..................................................................................................................74

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ АНАЛИЗА УЗЛОВ И ПОЛИТИКИ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ..................................................................75

3.1. Задачи создания специализированных узлов сети................................75

3.1.1. Узел обработки документов....................................................................76

3.1.2. Узел обработки запросов.............................. ...........................................77

3.2. Математические модели работы узлов базовой сети...............................78

3.2.1. Модели узла обработки документов......................................................79

3.2.2. Модель узла обработки запросов...........................................................90

3.3. Задача определения политики резервирования.......................................98

3.3.1. Политика резервирования.......................................................................98

3.3.2. Полное резервирование (M=N).............................................................101

3.3.3. Неполное резервирование(М<1Ч)..........................................................104

Выводы.................................................................................................................112

4. ПРИМЕНЕИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ МФЮА..............................................................113

4.1. Общие сведения о МФЮА.........................................................................113

4.2. Компьютерная сеть МФЮА..................................................................114

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.................................................119

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................121

ВВЕДЕНИЕ

Развитие высшей школы в Российской Федерации неразрывно связано с применением современных информационных технологий, позволяющих реализовать новые направления в организации учебного процесса, повысить качество и расширить спектр предоставляемых студентам и сотрудникам образовательных и управленческих услуг.

Основой информатизации ВУЗов являются компьютерные сети, объединяющие информационные, вычислительные и телекоммуникационные ресурсы в единую систему. Работа компьютерной сети современного высшего учебного заведения имеет свою специфику, заключающуюся в многофункциональности, связанной с необходимостью обеспечения учебного процесса и управления ВУЗом, одновременном функционировании большого количества различных приложений, необходимости поддержки интерактивной работы пользователей в произвольном режиме доступа, передаче разнообразного трафика с обеспечением заданного качества, обеспечении доступа к территориально распределенным информационным ресурсам подразделений.

Все это делает сеть сложной многофункциональной системой, совмещающей большое количество разнообразных технологий передачи и обработки информации, разработка и анализ которой связаны с предварительным проведением комплексных исследований по оценке ее характеристик в зависимости от принимаемых решений. Целесообразность таких исследований связана также с тем, что финансовые возможности многих ВУЗов ограничены и неудачные решения приводят либо к необходимости внесения изменений в процессе эксплуатации сети, либо к ухудшению ее характеристик, что в обоих случаях связано с повышением

расходов на эксплуатацию сети.

Значительное влияние на характеристики компьютерной сети оказывает ее структура, которая определяет параметры потоков данных, возможности управления сетью, качество предоставляемых услуг и надежность. Поэтому задачи анализа структурных решений при создании сети, остаются на сегодняшний день и в обозримой перспективе одними из важных для разработчиков и администраторов компьютерных сетей.

Таким образом, можно сделать вывод, что тематика диссертационной работы является актуальной, а полученные результаты имеют важное практическое значение.

Целью работы является разработка методов и математических моделей для решения задач выбора параметров структуры компьютерной сети, с учетом особенностей ее эксплуатации, обеспечивающих эффективность ее применения для поддержки учебного процесса и управления работой ВУЗа.

Для достижения поставленной цели были проведены исследования по следующим направлениям:

1. Анализ перспективных направлений развития высшей школы и возможностей их поддержки с помощью информационных технологий.

2. Анализ задач информатизации ВУЗа, решение которых обеспечит совершенствование и развитие учебного процесса и управления ВУЗом.

3. Исследование особенностей работы и формирования компьютерной сети ВУЗа.

4. Разработка комплекса математических моделей для решения задач формирования структуры, анализа работы узлов и обеспечения заданного уровня надежности компьютерной сети

На защиту выносятся следующие результаты проведенных

исследований:

• математическая модель, позволяющая формировать структуру базовой сети, с учетом наличия нескольких провайдеров и веса узлов сети;

• комплекс математических моделей для оптимизации размещения информационных ресурсов в сети, позволяющий вычислять и минимизировать затраты на оплату услуг связи;

• комплекс математических моделей для анализа работы специализированных многосерверных узлов сети, ориентированных на прием документов и обработку запросов пользователей в режиме ожидания ответов;

• комплекс математических моделей для расчета и оптимизации параметров политики резервирования, обеспечивающей заданный уровень надежности сети.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является компьютерная сеть, ориентированная на решение задач обеспечения учебного процесса и управления высшим учебным заведением.

Предметом исследования являются модели, устанавливающие зависимости и связи между структурными решениями компьютерной сети и ее характеристиками.

Методы исследования определялись спецификой решаемых задач и поставленными целями. В работе использовались методы системного анализа, теории множеств, теории графов, теории очередей, теории вероятностей, проектирования информационных систем.

Научная новизна результатов диссертации связана выявлением связей и зависимостей между параметрами структуры компьютерной сети и ее характеристиками, позволившими разработать комплекс математических моделей для расчета характеристик сети в зависимости от принимаемых

структурных решений, с учетом требований к качеству предоставляемых услуг.

Практическая значимость результатов диссертации обусловлена простотой практической реализации предложенных моделей и алгоритмов и разработкой правил и рекомендаций для их применения в зависимости от специфики ВУЗа, позволяющих обеспечить эффективное решение задач организации учебного процесса и управления.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертации основаны на соответствии разработанных моделей, алгоритмов и правил их применения реальным условиям работы компьютерной сети и реализуемым на ее основе технологиям, корректности применения математических методов при построении и анализе моделей и алгоритмов, а также на данных о практическом применении результатов при создании и эксплуатации реальных сетей.

Апробация работы. Основные результаты диссертации

докладывались и обсуждались на ХЬУ1 Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии, Москва, РУДН, 2010; международной научно-практической конференции «Суперкомпьютеры: вычислительные и информационные технологии», Хабаровск, ТОГУ, 2010; научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, РГРТУ, 2010; 2-й международной научно-практической конференции «Современные информационные компьютерные технологии» (тс1Т - 2010), Беларусь, Гродно, ГрГУ, 2010, а также на семинарах в МФЮА и МИЭМ.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 9 работ из них 2 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

В данной главе проводится анализ и обоснование основных направлений развития информатизации ВУЗов Российской Федерации.

Рассмотрены компьютерные сети ведущих высших учебных заведений, выделены основные задачи построения сетей и методы их решения на различных уровнях информационных систем.

По результатам анализа выделены наиболее значимые специфические особенности компьютерных сетей высших учебных заведений.

1.1. Задачи внедрения и освоения информационных технологий в высшей школе России

Здесь рассмотрены тенденции развития и связанные с этим особенности решения задач информатизации российских ВУЗов. Определены основные задачи, которые необходимо решить в процессе информатизации.

1.1.1. Современные тенденции развития ВУЗов России

В настоящее время и в обозримой перспективе происходят, и будут

развиваться, существенные изменения в организации высшего образования, работы ВУЗов и проведении учебного процесса. Это связано с необходимостью обеспечения возрастающих потребностей общества и народного хозяйства в квалифицированных специалистах, соответствующих современным требованиям по теоретической и профессиональной подготовке

[5].

Важнейшим направлением проводимых перемен является информатизация образования на базе современных и перспективных

информационных технологий, последних достижений в области вычислительной техники, телекоммуникаций, обработки информации.

Развитие этого направления, особенно такой его ветви, как компьютерные сети, непосредственно связано с особенностями современного ВУЗа, управления его деятельностью и организацией учебного процесса.

В связи с этим выделим наиболее важные отличительные направления развития ВУЗов, оказывающие наибольшее влияние на создание и развитие компьютерных сетей ВУЗов. Эти направления связаны как с технологическими факторами работы высшего учебного заведения, так и с повышением требований к организации учебного процесса [82].

1. Территориальная распределенность.

Подразделения современного высшего учебного заведения (административные органы, факультеты, общежития, филиалы, вычислительные центры, спортивные комплексы и т.д.), как правило, располагаются в различных зданиях либо в пределах кампуса, либо в пределах населенного пункта, либо в пределах региона, а иногда и по всей территории Российской Федерации. Данная особенность связана с наметившейся тенденцией к укрупнению ВУЗов путем слияния, открытия филиалов, увеличения числа специальностей и количества студентов, а также с привлечением к подготовке специалистов различных научно-исследовательских и промышленных организаций, располагающихся в различных местах.

Территориальная (географическая) распределенность накладывает специфические требования к процессу информатизации, связанные с необходимостью решения задач по привлечению операторов связи, провайдеров телекоммуникационных и информационных услуг, что приводит к повышению затрат на информатизацию.

2. Расширение спектра предоставляемых образовательных услуг

Современный ВУЗ должен предоставить студентам и преподавателям широкий набор разнообразных сервисов, облегчающих проведение учебного процесса и повышающих его эффективность. Среди таких сервисов можно выделить: разнообразные формы представления учебного материала, возможность удаленного и нерегламентированного по времени доступа к образовательным ресурсам, возможность обслуживания мобильных пользователей, возможность создания персонифицированных информационных и образовательных ресурсов, возможность информационного обмена с коллегами в данном ВУЗе и вне его.

Реализация таких услуг возможна при передаче по каналам связи различных типов трафика, обеспечении заданных требований к пропускной способности каналов связи, производительности серверов, гарантированного качества обслуживания, наличии беспроводных каналов связи, наличии разнообразных устройств отображения информации, организации соответствующих баз данных и хранилищ информации.

Все это связано с дополнительными затратами на обеспечение требуемого уровня качества услуг.

3. Связь с внешними организациями

Студенты и преподавательский состав должны иметь возможность доступа к информационным ресурсам внешних организаций (библиотеки, ВУЗы и университеты, учреждения и организации, участвующие в учебном процессе и научной работе). Для этого требуется обеспечить связь с внешними организациями, различные формы информационного обмена (прямой доступ к информационным ресурсам, электронная почта, конференции и т.д.), что требует доступа в Интернет, заключения соответствующих договоров с провайдерами, оплаты за предоставление услуг и обеспечение требуемого качества связи. Здесь также требуются серьезные финансовые затраты.

4. Автоматизация функций управления ВУЗом

На сегодняшний день практически во всех вузах создаются автоматизированные системы управления, обеспечивающие деятельность администрации:, работа с абитуриентами и набор, управление учебным процессом (составление расписаний, планирование нагрузки), документооборот на кафедрах, факультетах и в ВУЗе, бухгалтерский учет, снабжение и т.д.

Выполнение различных функций в подобных системах управления связано с обработкой большого количества документов, наличием специализированных информационных ресурсов, обработкой в реальном времени значительных объемов данных, необходимостью защиты информации (персональные данные, например).

Это налагает повышенные требования к внутривузовским каналам связи, требует создания специализированных сетей и серверных групп, реализации специальных алгоритмов и программ обработки информации, что также сопряжено с дополнительными затратами.

5. Дистанционное обучение.

Эта форма организации учебного процесса интенсивно развивается, поскольку позволяет привлекать в ВУЗ новые контингента обучаемых. Но, при этом требуется соответствующая организация связи, подготовленные в электронной форме учебные материалы, специальное программное обеспечение, услуги электронной почты, организация нерегламентированного по времени доступа к учебным материалам. Следовательно, для реализации такой формы учебного процесса нужны дополнительные, часто специально выделенные в отдельную локальную сеть, вычислител