автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Математическая модель, алгоритм и программная реализация модели механизма управления потоками данных в компьютерных сетях с открытой структурой

Гусев Кирилл Владимирович

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, АЛГОРИТМ И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ МЕХАНИЗМА УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ ДАННЫХ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ С ОТКРЫТОЙ СТРУКТУРОЙ

05.13.11—Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 (,цр 2012

Москва 2012

005011152

Работа выполнена в Федеральном государственном бюдж образовательном учреждении высшего профессионального образо «Московский государственный университет приборостроения и информатики

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Голубятников Игорь Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

ведущий научный сотрудник Пряничников Валентин Евгеньевич,

кандидат технических наук, доцент Филатов Вячеслав Валерьевич

Ведущая организация:

ОАО «НИИ «Кулон»

Защита диссертации состоится «29» февраля 2012 года, в 12:00 час заседании диссертационного совета Д.212.119.02 в Федеральном государств бюджетном образовательном учреждении высшего профессионал образования «Московский государственный университет приборостроен информатики», г.Москва, ул. Стромынка, д.20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерал государственного бюджетного образовательного учреждения вы профессионального образования «Московский государственный универ приборостроения и информатики», г.Москва, ул. Стромынка, д.20.

Отзывы по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, пр направлять по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д.20, ФГБОУ «МГУ ПИ».

Автореферат разослан «26» января 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

Зеленко Г.В.

Актуальность работы.

Использование компьютерных сетей с открытой структурой является одним из основополагающих секторов мировой экономики. Однако развитие сетевой инфраструктуры и усложнение топологии региональных и глобальных сетей создает технические трудности, решать которые можно либо с помощью увеличения затрат на аппаратно-техническое обеспечение, либо посредством разработки новых методов управления. Данный подход требует продолжения теоретических исследований процессов обработки и передачи данных в компьютерных сетях (особенно с открытой нерегулярной структурой).

Актуальность разработки моделей обработки и управления стохастических данных в сетях с открытой структурой обусловлена практическими и научными задачами обработкии передачи данных, а также управления данными.

Практика показывает, что, несмотря на существенное развитие используемых для создания компьютерных сетей аппаратно-технических средств, при определенных условиях в работе сетей наблюдаются перегрузки узлов и сбои в функционировании. Причем, для локальных вычислительных сетей с регулярной структурой, как правило, проблем не возникает, однако при переходе на уровень региональных или глобальных сетей многократно возрастают трудности управления потоками данных.

Причиной подобных сбоев является то, что, несмотря на наличие высокопроизводительных аппаратно-технических средств, в настоящее время нет точных моделей и методов расчета характеристик сетей передачи и обработки данных с открытой структурой (топологией) графа сети, при условии, что времена между заявками во входном и выходном потоке распределены произвольным образом.

Высокая стоимость аппаратных ресурсов компьютерных сетей и низкая эффективность их использования (недозагруженность, простои в работе, и т.д.) побуждают создавать и исследовать различные модели работы компьютерных сетей и, в частности, модели обработки потоков информации на уровне отдельных узлов и их групп, с целью более равномерного распределения нагрузки на каналы связи и узлы сети, предотвращения пиковых режимов работы, а также нивелирования несанкционированного доступа,

Особенность обобщенной моделикомпьютерной сетисостоит в том, что она включает три взаимосвязанных компонента: модель оборудования, модель потоков данных и модель механизма управления потоков данных к ресурсам.

К настоящему времени в России и за рубежом создан значительный задел математических методов оценки производительности компьютерных сетей,

основанных на аппарате теории массового обслуживания и учитываюи влияние первых двух компонентов, т. е. параметров оборудования и пото данных, при простейших механизмах управления. В гораздо меньшей степ решена проблема разработки методов управления для реальных механиз потоков данных к ресурсам компьютерной сети, обеспечивающих высокоэффективную работу. Главная трудность при этом состоит в силь взаимозависимости поведения различных очередей в соответствую! моделяхреальныхмеханизмов управления потоков данных к ресурс Имеющиеся по этой проблематике публикации авторов Кульгин М., Н Олифер, В.Г. Олифер, П.Б. Храмцов, В.И. Артемьев, С.Д. Кузнецов, Семе Ю.А.в значительной степени разрозненны и отражают, как правило, отдель частные аспекты вышеуказанной проблемы.

Таким образом, проведенные в диссертации исследования явля\ актуальными и позволяют управлять потоками данных в компьютерных сет обоснованно выбирать алгоритмы маршрутизации, способные обеспечи надежную работу сетей с учетом их структурной топологии.

Цели и задачи. Целью работы является разработка и программ реализация математической модели механизма управления потоков данны ресурсам компьютерной сети с открытой структурой для повыше эффективности их администрирования и функционирования.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следую основные задачи:

1. Проведен анализ современных моделей, методов, алгоритм программных средств обработки и управления потоков данных в компьютер сетях, выявлены основные проблемы и осуществлен выбор путей их решения.

2. Разработаны методы для определения информационных ресур (доступных пользователю), основанный на применении методов нечет гиперрезолюции, обеспечивающий учет параметров потока данных в кал конкретной ситуации управления в компьютерных сетях.

3. Созданы математические модели управления потоков данных компьютерных сетей с различными уровнями иерархии и разработан алгор реализации данной модели.

4. Разработаны модели и алгоритмы управления информационны потоками по памяти и по времени) между ресурсами компьютерных сетей.

5. Выполнена программная реализация разработанных алгоритмов проведена комплексная проверка работоспособности программной системы.

Объект исследования. Объектом исследования является информацион технология механизма управления потоками данных к ресурсам компьютерной с

Предмет исследования. Предметом исследования является методология автоматизированного процесса управления, анализа, контроля потоков данных к ресурсам компьютерных сетей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы нечеткого логического вывода, нейросетевых технологий, теории графов, теории вероятности, математического моделирования, технологии разработки программного обеспечения.

Научная новизна. Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Разработаны методы определения параметров управления данными, позволяющий определить информационные ресурсы, для взаимодействия с потоком.

2. Созданы модели и разработаны эффективные алгоритмы механизма управления данными в компьютерных сетях, базирующийся на представлении каждой операции в виде набора продукционных правил, что в отличие от классического подхода позволило более эффективно определять различные уровни иерархии компьютерной сети.

3. Разработаны модели для анализа доступа потоков данных к модулям различных уровней иерархической памяти (локальной и оперативной).

4. Разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать выполнение различных этапов управления данными.

Практическая значимость. Создана методика управления данными в компьютерных сетях и разработаны правила, на основе которых происходит управление потоками информации по памяти и по времени. Предложенные модели и методы управления данными в компьютерных сетях доведены до конкретных алгоритмов, на основе которых создано программное обеспечение. В результате практического использования разработанного программного обеспечения увеличилась производительность каналов связи, уменьшилось время ожидания реакции сети и увеличилась степень детализации сетевого управления, что значительно повысило эффективность процедур управления данными в компьютерных сетях.

Реализация результатов. Разработанные программные средства входят в состав программного обеспечения «Механизм управления потоками данных в сетях с открытой структурой», которое используется для управления данными в компьютерных сетях. На данное программное обеспечение получены 2отраслевых свидетельства о регистрации программ для ЭВМ. Данные программные продукты были внедрены в ООО КБ «ЭлектронСистема». Разработанные методические принципы РПД пользователей в компьютерных сетях использованы в учебном процессе при подготовке специалистов по

специальности 22.01.02 на кафедре «Автоматизированные системы управлеш информационные технологии» Московского государственного универси-приборостроения и информатики.

Достоверность полученных результатов. Достоверность получен! результатов подтверждена системностью исследования и решения поставлен задачи; использованием специальных, формальных и неформальных мето апробированного математического аппарата; выбором корректных полны объективных исходных данных; согласованностью результатов моделирован] данными; сходимостью теоретических расчетов с результат экспериментальных исследований; статистической достоверностью исходи объема анализируемых информационных источников; непротиворечивое полученных результатов известным работам ученых и специалистов в дан предметной области.

Апробация работы. Наиболее важные результаты докладывались международной конференции «Современные направления теоретических прикладных исследований» (Украина, г. Одесса, 2008.), 3-й международ научно-практической конференции «Достижения ученых XXI века» (г. Там-2007), международной конференции «Проблемы управления безопасное! сложных систем» (г. Москва, 2011), а также всероссийской конферен «Новые материалы и технологии-НТМ-2008» (г. Москва, 2008).

Основные положения и результаты докладывались и обсуждались научных семинарах кафедры «Автоматизированные системы управления информационные технологии» Московского государственного университ приборостроения и информатики.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликов Юнаучных работ, в том числе два в журналах, входящих в перечень В А также получено 2 отраслевых свидетельства о регистрации программ для ЭВ№

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех г заключения, списка литературы и 4 приложений.

Основная часть диссертации содержит -134 страницы машинописи текста, включая 25 —рисунков и 6 —таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи, объект и предмет исследования, определены научная и практическая значимость работы, приведена краткая характеристика основных разделов диссертации.

В первом разделе проанализированы общие вопросы проектирования и построения компьютерных сетей: топология, маршрутизация и обмен данными, моделирование работы и управления. Проведен анализ основных задач управления обменом данных и моделей описания работы компьютерных сетей.

Методы управления сетью являются одними из важнейших факторов обеспечения надежности передачи данных. Причем даже для локальных вычислительных сетей, имеющих известную, регулярную топологию и заданное число узлов, возникает неоднозначность выбора методов управления. При переходе от локальных сетей к региональным или глобальным происходит существенное изменение структуры сети.

Кроме того, разнообразие используемого оборудования, характеристик линий связи и т.д. делает процесс управления такой сетью трудоемкой задачей.

Существующие методы моделирования и управления данными в компьютерных сетях часто строятся на использовании целевых функций управления, при заранее известной структуре сети и числе узлов. При разработке алгоритмов управления с помощью имитационного моделирования, как правило, используются известные характеристики существующего оборудования, что дает хорошие результаты для локальных сетей с детерминированной структурой и является менее эффективным для сетей с нечеткими, приблизительными характеристиками. При переходе к региональным или глобальным сетям возникает проблема изменения характеристик компьютерной сети и, как следствие, изменение набора различных функций качества обслуживания и их параметров. Все это побуждает искать новые подходы к моделированию и управлению передачей и обработкой данных, отличные от построения целевых функций качества.

При выборе подхода к решению поставленных в диссертации задач основным фактором являлась необходимость обеспечения принятия решения в обстановке неполной и нечеткой информации. Поэтому модель управления данными в компьютерных сетях должна быть максимально приближена к рассуждениям человека, учитывать различные уровни иерархии пользователей, а также отслеживать злоупотребления служебными полномочиями и ошибки конфигурации.

В заключительной части раздела поставлена задача создания механи управления потоками данных и предложены пути её решения.

Вторая глава посвящена разработке методов управления потоков дан в КС на основе логического вывода и оценке полученных результатов в рам нечетких методов, т.е. вне двоичной логики.

Применение принципов резолюции (гиперрезолюции) к услов неопределенности приводит к необходимости оценки степени истинности ложности полученного результата. Это означает, что любой элемент, входящи состав формального описания конкретной задачи, имеет экспертную оце истинности (достоверности), или степени принадлежности некоторому значен лингвистической переменной, характеризующей этот элемент.

Для вывода в правдоподобных рассуждениях использовался ме доказательства от противного. Разработан механизм оценки истинных и ложн высказываний. Достоверность вывода определяется значениями истинное которые принадлежат замкнутому интервалу [0,1].

Создан метод гиперрезолюции в аксиоматических системах для управле данными и принятия решений в КС.Это позволило избежать многочисленн бесполезных путей вывода, которые приводят к большому числу резольве неограниченно увеличивающих исходное множество дизъюнктов. Однако резольвенты не способствуют достижению цели вывода.

Проблемная область описывалась в диссертации системой утверждений: (¡Ь): РлСЗлЯзВ главная посылка (правило),

(¡аО: РдТ второстепенная посылка (фактО,

(¡аг): ОлУ. второстепенная посылка (фактг),

В цель (следствие).

Система (Л - ¡а;) представима в виде множества Б дизъюнктов, а целе дизъюнкт В добавлен в Б с отрицанием:

8={-^-.(Зу-|Кл'В, PvT, (3\/У, -,В}.

Для доказательства положений задается некоторая интерпретация I множестве Б инекоторый порядок Т литералов, входящих в дизъюнкты Поскольку множество Б противоречиво, то среди дизъюнктов найду дизъюнкты Ь И —|Ь, один из которых ложен в принятой интерпретации I. То можно построить гиперрезолютивный вывод пустого дизъюнкта □, ложного всех интерпретациях.

Установленный порядокГ для литералов необходим для формализа процедуры формирования резольвент: при построении резольвенты

дизъюнктам 51 и из 5 удаляемый литерал в 5] - наибольший в этом дизъюн

Возможен выбор одной из существующих процедур гиперрезолютивного вывода: семантическая, положительная, отрицательная. Последние две являются частными случаями первой.

В работе предложен ряд определений

Определение 1.Гиперрезолюцией называется резолюция, в которой любой литерал интерпретации / имеет знак отрицания.

Определение 2. В интерпретации / в смысле Определения1 положительная гиперрезолюция приводит к получению положительных резольвент.

Для установления доступа к определенным ресурсам КС, необходимо получение положительных баллов по одному из направлений АуВуС. Направление А не может быть осуществлено без одного из направлений ВуС. Известно, что доступ имеет плохой результат по направлению С. Тогда при принимается положительное решение о возможности группы данных X иметьнаправление В.

Представим известные аксиомы и гипотетическое следствие в виде формул исчисления высказываний:

А]-. АзВуС,

А2: AvBvC,

А3: -,С,

В,: В.

Множество дизъюнктов, соответствующее аксиомам А1 - А3 и следствию В, имеет вид: 5={-АуВуС, AvBvC, ->С, -.В}.Примем следующий порядок Т: А>В>С и интерпретацию 1={—.А, -.В, -.С}.

Построим вывод пустого дизъюнкта □ из Б:

{АуВуС, -пАуВуС}-» ВуС,

{ВуС, ~|В}—>С,

{С, —1С}—^0.

Дерево вывода для положительной гиперрезолюции представлено на рис. 1.

Разработан метод управления данными в КС на основе нечеткой гиперрезолюции. Отмечено, что сложность применения хорошо разработанного в аксиоматических системах методов вывода в правдоподобных рассуждениях, в

Рис 1. Пример положительной гиперрезолюции

том числе и в нечетких системах, определяется природой нечетких систем, нечетких системах степень истинности может принимать бесконечное чис значений из интервала [0, 1]. В нечетких системах имеется спек лингвистических значений высказываний, которые принадлежат нечетко множеству.

Значения лингвистических переменных сформированы с помощ модификаторов, которые придают переменной различный смысл.

Высказывание Р(дг)|х=а|В работе интерпретировалось как предикатная фор определенная на множестве X, Х=:[ат,„, апшх] - интервал действительных чисел.

Доказано, что для успешного резолютивного вывода на множес дизъюнктов необходимо наличие в двух дизъюнктах контрарных литералов Р -.Р. Тогда степень истинности противоречивого высказывания будет следующ

|1(Рл-,Р)=гшп(|аР, ц_,Р)

В работе в качестве нечетких логических операций Ии ИЛИ д высказываний Р и Q использовались следующие соотношения:

H(PAQ)=min(|ip, |i0), n(PvQ)=max(nP, HQ). (1)

Введены следующие обозначения: степень истинности высказывания обозначена|1(Р), а степень достоверности этого высказывания cd(P) - (certai degree), зависимость cd(P) от ц(Р) может иметь вид

Значение неопределенности 0.5 является границей между истинной (true) ложной (false) областями.

Отношение степени доверия cd(P) некоторого высказывания на множест степеней ИСТИННОСТИ |i(P(x=OCi)) в простейшем случае может иметь линейн форму (рис. 2).

Различные практические приложения могут быть обеспечены функциями вид

cd=n(P)lql,

где q - действительное число.

Так, при q='A функция приобретает форму параболы. Такая фор соответствует понятию «более или менее» и может обеспечи «нечувствительность» принимаемых решений для значений степен достоверности, например, 0.93, 0,98,1.0.

Функции, соответствующие значениям q>2, могут быть использованы для принятия решений, относящихся к наиболее точным. При Ц->сО функция приобретает форму 5-функцию Дирака - бесконечный импульс единичной интенсивности (рис. 3):

Этот предельный переход соответствует принятию решений в двоичной логике.

В работе доказано, что все высказывания, степень истинности которых превышает 0.5, следует считать истинными. Это означает, что при нечетком резолютивном выводе в число «истинных» могут попасть и другие конкретизации.

В зависимости от требований точка неопределенности может трансформироваться в область неопределенности. Доказано, если степень истинности не может оказаться ниже некоторого определенного экспертом значения т;„((Р)>0.5, то область неопределенности соответствует интервалу [1 - т(п/,т£п/] (рис. 4):

Сделана попытка сузить область решения, ограничив нечеткое множество значений лингвистической переменной только антонимными.

Пусть в данной интерпретации I степень противоречивости Р0|Л-.РОТ есть и

Определение 3. Степенью достоверности нечеткой резольвенты ЩСьСг), где Сі= РшУ'\¥, С2=-.РщУи - ДИЗЪЮНКТЫ ИЗ Б, есть степень противоречивости С(Раі) высказывания Раі.

В работе доказано, что значение достоверности резольвент зависит от исходных значений степеней истинности высказываний. Поэтому при решении задач управления данными в КС следует задать некоторую нижнюю границу т^Р) степени истинности, достаточно высокую для получения надежного результата (рис. 4). Высокий уровень граничного значения должен соответствовать высокому уровню выполнения принимаемого решения. Следует

СІІ(Р)

1.0

false

true

Рис. 3.

cd(P)

flj wP)

Рис. 4.

«Раі)є[0,1]:

С(Рш)=|Ц(Рш)-йЬРаі)|

считать для Уд(Р): n(P)>Tinf(P) соответствующими истинным значениям, а дг V|i(P): д(Р)<тш((Р) соответствующими ложным.

Для организации управления информационными потоками и для наиболе полного отображения иерархической структуры запросов и взаимосвязей межи ними предложена новая система кодификации структуры информационны моделей, которые учитывают такие характеристики как рос производительности каналов связи, уменьшение времени ожидания реакции сет и увеличение степени детализации сетевого управления.

Для организации трафика данных в КС были учтены такие характеристик данных как степень важности обрабатываемой информации, степей необходимости в конкретной информации для того или иного субъекта, степей возможной опасности, исходящей от каждого субъекта и др.

С этой целью на основе дальнейших исследований были выявлены унифицированы параметры, при которых субъект, как правило, получает досту к объекту.

Для определения трафика потока данных формируется база нечетки продукционных правил в следующем виде:

ЕСЛИ у есть Ms(y),И* есть ^0(*),И(ИЛИ) признак есть L И(ИЛИ) пршна есть и И(ИЛИ) признак есть NTOdt = const, (d, =£>'').(2)

Таким образом, используя логико-математические информационны модели, построена система управления потоками данных в КС.

Третья глава посвящена вопросам алгоритмизации разработаннь: моделей и методов, а также проектированию программного обеспечени управления данными в КС.

На основе описанных во второй главе методов нечеткой гиперрезолюции диссертации разработан алгоритм определения существенных признаков, п которым осуществляется управление трафикомв компьютерных сетях упрощенный вид которого показан на рисунке 5.

Рис.5. Упрощенный алгоритм определения существенных признаков.

На четырехядерном процессоре был проведен эксперимент по определению максимального количество существенных признаков, показавший, что приемлемая скорость работы алгоритма (рис. 5) устанавливается,если количество не превышает 15. Графики зависимости количества обработанных заявок от времени работы программы приведен на рис 6.

программы

В работе сделан вывод, что при количестве значений значимых параметров больше 15 целесообразно применять более мощную вычислительную технику или использовать комбинацию методов многозначной логики и нечеткой гиперрезолюции.

В диссертации также разработан пошаговый алгоритм реализации модел управления потоками данныхв компьютерных сетях.

Шаг 1 .Определениезначимых параметров

Шаг 2.Если количество ЗП не превышает 15, тогда применение метод гиперрезолюционного вывода, иначе использование смешанного метод многозначной логики и гиперрезолюционного вывода.

ШагЗ.Замена всех множеств субъектов и заявок соответствующим нечеткими множествами по формулам (1).

Шаг 4.Построениефункции истинности определения трафика потока.

Шаг 5.Формированиебазы нечетких продукционных правил по формуле (2).

Шаг б.Выбор механизма нечеткого логического вывода.Определени этапов нечеткого логического вывода для каждого алгоритма по формул

Д = (3)

ы

где о— значение доступа /—го субъекта к /—му объекту, а,—параметр доступ к объекту.

Шаг 7. Если значение, вычисленное по формуле (3), не превышав порогового значения, то создание информационного потока по времени.

Упрощенный алгоритм представлен на рис. 7.

В результате выполнения этапа дефаззификации данного алгоритм получается значение успешной обработки заявки о,на основе которо происходит создание информационного потока по времени. В диссертаци показано, что создавать информационный поток по памяти нецелесообразно, чт облегчает работу информационной системы и не нагружает памят избыточными данными.

На основе разработанных алгоритмов построена архитектура программно! системы, состав и структура основных компонентов которой представлены н рисунке 8.

Рис.7. Упрощенный алгоритм реализации моделиуправления данными в компьютерных сетях.

В архитектуру программной системы входит шесть подсистем, основными из которых являются: подсистема определения пользователей и их заявок (характерной особенностью системы является идентификация и аутентификация, обеспечивающие процесс взаимодействия с подсистемой определения заявок); подсистема определения значимых параметров потока; подсистема определения возможности успешной обработки заявки (в которую входит нечеткий решатель, а также средство создания информационных потоков); подсистема ведения журналов событий для заявок.

Рис. 8.Архитектура программнойсистемы.

В четвертой главе описана реализация и апробация разработаннь моделей, методов и алгоритмов. Предложенаинженерная методика управлени данными, которую можно реализовать в компьютерных сетях.

Разработано программное обеспечение (ПО) на основе полученных диссертации результатов. ПО предназначено для автоматизации управлени потоками данных в компьютерных сетях. Программное обеспечение позволя автоматизировать выполнение различных этапов управления потоками данны ввод значимых параметров потока, формирование нечетких продукционны правил доступа, вычисление значения возможности обработки заявки^ создание информационных потоков по времени, ведение журнала событий формирование таблицы успешной обработки заявки о (в неё входит получение н разрешение выполнения команды). В ПО реализованы система меню используется' многопользовательский интерфейс, набор управляющ элементов. ПО совместимо с различными операционными системамии моделям микропроцессоров.

Для реализации программного обеспечения используется лицензионны программный продукт Вогіапсі ОеІрИі 7.

Проведена апробация разработанных моделей, метода апгоритмовуправления даннымии создания информационных потоков компьютерных сетях.

Исследована эффективность разработанноймоделейуправления данными в компьютерных сетях с помощью имитационного моделирования, а также осуществлена проверкаего работоспособности на предприятиях и в учебном процессе.

Приведеноописание предложенной методикиуправления данными. Пример реализации методикиуправления данными для компьютерной сети, состоящей из 15 узлов (субъектов) и 100 информационных потоков (заявок).

График зависимости вероятности обслуживания заявки от работы процессорного времени представлен на рис. 9.

процессорного времени.

Проанализированы два варианта организации КС с общей памятью и блоками локальной памяти (ЛП). В первом варианте каждый блок ЛП доступен только собственному процессору и при обращений в ЛП конфликтов при управлении данными не возникает. При втором варианте возможны обращения к любому блоку ЛП. Анализ моделей этих вариантов КС показал, что в первом варианте среднее число активных процессоров вычисляется по формуле

где 7\ 1,Т21,7’з ^среднее время, соответственно, подготовки запроса в процессоре и обслуживания запросов в ОП и ЛП; р - вероятность того, что запрос процессора адресован к собственному блоку ЛП; /? =

Во втором варианте справедлива та же формула, в которой вместо интенсивности Т3 следует подставить интенсивность Г3\ определяемую выражением

где р0 - вероятность обращения процессора к ОП, а - средняя длительность обслуживания в ЛП запросов от чужого процессора.

Г рафик зависимости вероятности обработки заявки от количества нечетки продукционных правилдля четырех пользователей изображен на рис. 10.

Кол-во нечетких правил

-♦-Пользователь 1 “♦-Пользователь 2

-•-Пользователь 3 -©-Пользователь 4

Рис. 10. График зависимости вероятности обработки заявки от количества

пользователей. I

График, изображенный на рисунке 10, иллюстрирует, что наибольша) вероятность обработки заявки для всех четырех пользователей наблюдается пр: количестве нечетких правил более 23. I

Имитационное моделирование КС с односвязным интерфейсом и блокам ЛП на основе реальной гистограммы времен запросов при постоянных времена1 обслуживания запросов в ОП и ЛП показало, что относительная ошибка расчетеРл по модели не превышает 7%.

В заключении формулируются основные полученные результаты работы:|

1. Проведен анализ современных моделей, методов, алгоритмов ! программных средств управления данными в компьютерных сетях, выявлень основные проблемы и осуществлен выбор путей их решения.

2. Разработаны методы для определения информационных ресурсо_ (доступных информационным потокам), основанный на применении методоГ нечеткой гиперрезолюции и ортогонально-латинских квадратов1 обеспечивающий учет параметров возможности обработки заявки конкретный узлом компьютерных сетей.

3. Созданы модели управления данными для компьютерных сетей -

различными уровнями иерархии компьютерных узлов и разработан алгоритм реализации данной модели. I

4. Разработаны модели и алгоритмы управления информационным! потоками (по памяти и по времени) между ресурсами компьютерных сетей.

5. Выполнена программная реализация разработанных алгоритмов проведена комплексная проверка работоспособности программной системы.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Гусев КВ. Инновационные методы моделирования работы информационновычислительных сетей./ЛТромышленные АСУ и контроллеры. 2012. № 1, с. 22-27

2. Гусев КВ. Управление правами и потоками в компьютерных сетях.//Специальная техника и связь. 2012. № 6, с. 7-11

3. Гусев КВ.Использование методов нечеткой логики при разработке систем управления трафиком в территориально-распределенных вычислительных сетях// Пластические массы, №5,2009 год

Публикации в других изданиях

4. Гусев КВ. Севалкин A.A., Сумкин К.С. Принципы построения моделей разграничения прав доступа в компьютерных сетях.// Сборник научных трудов по материалам международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем». Москва, 2011, с. 31-35.

5. Гусев КВ. Использование методов нечеткой логики для построения системы управления данными в компьютерных системах.//Достижения ученых XXI века. Материалы 3-й международной научно-практической конференции. Тамбов: ООО «Тамбопринт», 2007, с. 153-154.

6. Гусев К.В .Управление потоками данных в компьютерных сетях на основе выделения значимых параметров потока.// Сборник трудов Международной научно -практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований». Том 5 - Одесса: Черноморье, 2008, с. 48- 52.

7. Гусев К.В. Автоматизация процессов управления потоками данных в компьютерных сетях. //Труды всероссийской конференции «Новые материалы и технологии-НТМ-2008». Том 2-М.: ИЦ МАТИ, 2008, с. 89-91.

8. Гусев КВ., Сумкин К.С. Методы нечеткой логики для обеспечения безопасной работы пользователей сети. Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации.// Труды 17 международного научно-технического семинара. Алушта, сентябрь 2008 г, с. 60 - 61.

9. Гусев КВ. Подходы к разработке программного обеспечения для производственных предприятий//Новые материалы и технологии - НМТ 2008. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Москва, 11-12 ноября 2008 г. В 3 томах. Т 2. - М.: ИЦ МАТИ, 2008

Авторские свидетельства, патенты, информационные карты и алгоритмы

10.Гусев К.В. Подсистема обработки визуальной информации, экспериментальных данных. Инновации в науке и образовании, №12 (47), декабрь 2008 года, ТЕЛЕГРАФ ОТРАСЛЕВОГО ФОНДА АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ.

11 .Гусев К.В. Свидетельство отраслевого фонда алгоритмов и программ об отраслевой регистрации разработки. ФГНУ «Государственный координационный центр информационных технологий», свидетельство об отраслевой регистрации разработки №11876 от 05 декабря 2008 года, выдано 16 декабря 2008 года

61 12-5/1905

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики»

Гусев Кирилл Владимирович

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, АЛГОРИТМ И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ МЕХАНИЗМА УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ ДАННЫХ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ С ОТКРЫТОЙ СТРУКТУРОЙ

05.13.11 —Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

Список условных сокращений и обозначений 4

Введение 5

Глава 1 Классификация информационно-вычислительных сетей и методов ¡о управления обменом

1.1 Классификация информационно-вычислительных сетей 10

1.2 Топология информационно-вычислительных сетей 11

1.3 Обмен данными в информационно-вычислительных сетях 14

1.4 Маршрутизация данных в информационно-вычислительных сетях 21

1.5 Моделирование работы информационно - вычислительных сетей 26

1.6 Выводы 53

Глава 2 Метод определения параметров управления данными в

компьютерных сетях с открытой структурой. Модель управления 55 потоками данных

2.1 Методы решения поставленных задач. 55

2.2 Метод определения параметров управления потоками данных на ^ основе нечеткой гиперрезолюции

2.3 Метод определения параметров управления потоками данных на ц основе ортогонально-латинских квадратов

2.4 Модель управления потоками данных в компьютерных сетях с 77 открытой структурой

2.5 Выводы 82

Глава 3 Алгоритмизация модели управления данными в компьютерных сетях ^3 с открытой структурой

3.1 Алгоритмизация метода определения существенных потоков данных 83

3.2 Алгоритм управления данными 86

3.3 Основные задачи, реализуемые программной системой. Архитектура ^ программной системы

3.4 Выводы 92

Глава 4 Реализация и апробация разработанной модели, метода и ^

алгоритмов. Проверка работоспособности программной системы

4.1 Описание реализации программной системы 94

4.2 Оценка эффективности разработанной модели управления данными 96

4.3 Анализ эффективности алгоритма управления данными с помощью имитационного моделирования

4.4 Методика по управлению данными в компьютерной сети с открытой структурой

4.5 Вероятностные методы управления потоками данных в компьютерных сетях

4.6 Внедрение программного обеспечения в организациях 112

4.7 Выводы ИЗ Заключение 114

Список используемой литературы 115

Приложение 1. Акт внедрения «ЭлектронСистема» 130

Приложение 2. Акт внедрения ОАО «НИИ Кулон» 132

Приложение 3. Акт внедрения в научный процесс 134

Список условных сокращений и обозначений

ОС Операционная система

сзи Средства защиты информации

NCP Nowell Client Protocol

IRF Inherited Right Filter

NDS NetWare DirectoryServices

СРД Средство разграничения доступа

АИС Автоматизированная информационная система

БД База данных

ПАК Программно-аппаратный комплекс

СУБД Система управления БД

свт Средство вычислительной техники

по Программное обеспечение

КС Компьютерные сети

АСУ Автоматизированная система

Б-Л Белла-Лападулла

свс Система военных сообщений

РРД Ролевое разграничение доступа

нлв Нечеткий логический вывод

олк Ортогональные латинские квадраты

ФИ Функциональная инверсия

млпо Многозначная логика переменных оснований

СНДФ Совершенная нормальная дизъюнктивная форма

ХФП Характеристическая функция принадлежности

иве Информационно-вычислительная сеть

смо Система массового обслуживания

BPC Воздушная радиосвязь

мед Многостанционый доступ

ЭВМ Электронная вычислительная машина

ПД Поток данных

УПД Управление потоками данных

АП Абонентский пункт

тнл Теория нечеткой логики

ТПР Теория принятия решения

тнм Теория нечетких множеств

РАБД Распределенный автоматизированный банк данных

цкп Центр коммутации пакетов

AOO Алгоритм обслуживания

АУО Алгоритм управления

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, в век высоких технологий, хранение и обработка информации неразрывно связаны с компьютерными технологиями, системами и сетями связи, в связи с чем, становится очевидной важность решения вопроса разграничения доступа. Изобретение компьютера и дальнейшее бурное развитие информационных технологий во второй половине 20 века сделали проблему управления потоками данных настолько актуальной и острой, насколько актуальна сегодня информатизация для всего общества. Особенно актуально стоит этот вопрос в области управления потоками данных в компьютерных сетях с открытой структурой.

Актуальность работы.

Развитие сетевой инфраструктуры и усложнение топологии региональных и глобальных сетей создает технические трудности, решать которые можно либо с помощью увеличения затрат на аппаратно-техническое обеспечение, либо посредством разработки новых методов управления. Данный подход требует продолжения теоретических исследований процессов обработки и передачи данных в компьютерных сетях (особенно с открытой нерегулярной структурой).

Актуальность разработки моделей обработки и управления стохастическими данными в сетях с открытой структурой обусловлена практическими и научными задачами обработки и передачи данных, а также управления данными.

Практика показывает, что, несмотря на существенное развитие используемых для создания компьютерных сетей аппаратно-технических средств, при определенных условиях в работе сетей наблюдаются перегрузки узлов и сбои в функционировании. Причем, для локальных вычислительных сетей с регулярной структурой, как правило, проблем не возникает, однако при переходе на уровень региональных или глобальных сетей многократно возрастают трудности управления потоками данных.

Причиной подобных сбоев является то, что, несмотря на наличие высокопроизводительных аппаратно-технических средств, в настоящее время нет точных моделей и методов расчета характеристик сетей передачи и обработки данных с открытой структурой (топологией) графа сети, при условии, что интервалы времени между заявками во входном и выходном потоке распределены произвольным образом.

Высокая стоимость аппаратных ресурсов компьютерных сетей и низкая эффективность их использования (недозагруженность, простои в работе, и т.д.) побуждают создавать и исследовать различные модели работы компьютерных сетей. В частности, модели обработки потоков информации

5

на уровне отдельных узлов и их групп, с целью более равномерного распределения нагрузки на каналы связи и узлы сети, предотвращения пиковых режимов работы, а также нивелирования несанкционированного доступа.

Особенность обобщенной модели компьютерной сети состоит в том, что она включает три взаимосвязанных компонента: модель оборудования, модель потоков данных и модель механизма управления потоками данных.

К настоящему времени в России и за рубежом создан значительный задел математических методов оценки производительности компьютерных сетей, основанных на аппарате теории массового обслуживания и учитывающих влияние первых двух компонентов, т. е. параметров оборудования и потоков данных, при простейших механизмах управления. В гораздо меньшей степени решена проблема разработки методов управления потоками данных, которые обеспечивают высокоэффективную работу компьютерной сети. Главная трудность при этом состоит в сильной взаимозависимости поведения различных очередей в соответствующих моделях механизмов управления потоками данных. Имеющиеся по этой проблематике публикации авторов Кульгин М., H.A. Олифер, В.Г. Олифер, П.Б. Храмцов, В.И. Артемьев, С.Д. Кузнецов, Семенов Ю.А. в значительной степени разрозненны и отражают, как правило, отдельные частные аспекты вышеуказанной проблемы.

Таким образом, проведенные в диссертации исследования являются актуальными, а полученные результаты позволяют управлять потоками данных в компьютерных сетях и обоснованно выбирать алгоритмы маршрутизации, способные обеспечивать надежную работу сетей с учетом их структурной топологии.

Цели и задачи. Целью работы является разработка и программная реализация математической модели механизма управления потоками данных и ресурсов компьютерной сети с открытой структурой для повышения эффективности их администрирования и функционирования.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие основные задачи:

1. Проведен анализ современных моделей, методов, алгоритмов и программных средств обработки и управления потоками данных в компьютерных сетях, выявлены основные проблемы и осуществлен выбор путей их решения.

2. Разработаны методы достура к информационным ресурсам, основанные на применении методов нечеткой логики, обеспечивающие учет

параметров потока данных в каждой конкретной ситуации управления в компьютерных сетях.

3. Создана математическая модель управления потоков данных для компьютерных сетей с различными уровнями иерархии и разработан алгоритм реализации данной модели.

4. Разработаны модели и алгоритмы управления информационными потоками (по памяти и по времени) между ресурсами компьютерных сетей.

5. Выполнена программная реализация разработанных алгоритмов и проведена комплексная проверка работоспособности программной системы.

Объект исследования. Объектом исследования является информационная технология механизма управления потоками данных компьютерной сети.

Предмет исследования. Предметом исследования является методология автоматизированного процесса управления, анализа, контроля потоков данных к ресурсам компьютерных сетей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы нечеткого логического вывода, нейросетевых технологий, теории графов, теории вероятности, математического моделирования, технологии разработки программного обеспечения.

Научная новизна. Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Разработаны методы определения параметров управления данными, позволяющие установить необходимые информационные ресурсы.

2. Созданы модели и разработаны эффективные алгоритмы управления данными в компьютерных сетях, базирующиеся на представлении каждой операции в виде набора продукционных правил, что позволило более эффективно определять различные уровни иерархии компьютерной сети.

3. Разработаны модели для анализа доступа потоков данных к модулям различных уровней иерархической памяти.

4. Разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать выполнение различных этапов управления данными.

Практическая значимость. Создана методика управления данными в компьютерных сетях и разработаны правила, на основе которых происходит управление потоками информации по памяти и по времени. Предложенные модели и методы управления данными в компьютерных сетях доведены до конкретных алгоритмов, на основе которых создано программное обеспечение. В результате практического использования разработанного программного обеспечения увеличилась производительность ИВС, а также уменьшилось время ожидания реакции сети и увеличилась степень

7

детализации сетевого управления, что значительно повысило эффективность процедур управления данными в компьютерных сетях.

Реализация результатов. Разработанные программные средства входят в состав программного обеспечения «Механизм управления потоками данных в сетях с открытой структурой», которое используется для управления данными в компьютерных сетях. На данное программное обеспечение получены 2 отраслевых свидетельства о регистрации программ для ЭВМ. Данные программные продукты были внедрены в ООО КБ «ЭлектронСистема». Разработанные методические принципы РПД пользователей в компьютерных сетях использованы в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 22.01.02 на кафедре «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» Московского государственного университета приборостроения и информатики.

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена системностью исследования и решения поставленной задачи; использованием, формальных и неформальных математических методов; выбором корректных исходных данных; согласованностью результатов моделирования с экспоненциальными данными; близостью теоретических расчетов и результатов экспериментальных исследований; статистической достоверностью исходного объема анализируемых информационных источников; непротиворечивостью полученных результатов с известными работами в данной предметной области.

Апробация работы. Наиболее важные результаты докладывались на международной конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Украина, г. Одесса, 2008.), 3-й международной научно-практической конференции «Достижения ученых XXI века» (г. Тамбов, 2007), международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (г. Москва, 2011), а также всероссийской конференции «Новые материалы и технологии-НТМ-2008» (г. Москва, 2008).

Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» Московского государственного университета приборостроения и информатики.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, в том числе два в журналах, входящих в перечень ВАК, а

также получено 2 отраслевых свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 4 приложений.

Основная часть диссертации содержит 134 страницы машинописного текста, включая 25 рисунков и 6 таблиц.

Глава 1. Классификация информационно-

вычислительных сетей и методов управления обменом

1.1. Классификация информационно-вычислительных сетей

На сегодняшний день в мире существует более 800 миллионов компьютеров, 80 % из которых объединены в различные информационно -вычислительные сети: от ЛВС до глобальной сети Internet. Тенденция к объединению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин, например, такая как ускорение передачи информационных сообщений и рядом других.

В настоящее время можно выделить два основных направления создания интерсетей - общедоступные и специализированные сети. Существует большое разнообразие типов связей, протоколов и способов обмена данными.

Как правило, сети принято разделять - на глобальные, региональные и локальные. Главное отличие локальной сети - высокая скорость передачи информации по сети и низкий уровень ошибок передачи, вызванных как внутренними, так и внешними факторами, а также детерминированная, в отличие от глобальных сетей, структура. Локальная сеть, как правило, работает с высокой интенсивностью обмена (с большим трафиком) данных. Если механизмы управления обменом, используемые в сети, не слишком эффективны, то это замедляет интенсивность обмена данными, что является неприемлемым. При объединении между локальными сетями может быть несколько шлюзов, что также снижает интенсивность обмена данными.

Механизм управления обменом может гарантированно успешно работать только в том случае, когда заранее известно, сколько компьютеров (узлов) можно подключить к сети, в противном случае возникнет перегрузка способная блокировать механизм управления.

Отличительные признаки локальной сети можно сформулировать следующим образом:

Высокая скорость передачи информации, большая пропускная способность сети. Приемлемая скорость сейчас - не менее 10 Мбиг/с.

Низкий уровень ошибок передачи.

Эффективный, быстродействующий механизм управления обменом по

сети.

Заранее известное количество компьютеров, подключаемых к сети.

Глобальные сети отличаются от локальных, прежде всего, тем, что они рассчитаны на неограниченное число абонентов. Кроме того, они используют (или могут использовать) не слишком качественные каналы связи и сравнительно низкую скорость передачи. А механизм управления обменом в них не может быть гарантированно быстрым.

Нередко выделяют еще один класс компьютерных сетей - региональные сети (MAN, Metropolitan Area Network), которые обычно по своим характеристикам ближе к глобальным сетям, хотя иногда имеют некоторые черты локальных сетей, например, высококачественные каналы связи и сравнительно высокие скорости передачи. Однако сейчас уже нельзя провести четкую границу между локальными и глобальными сетями. Большинство локальных сетей имеет выход в глобальную сеть. Но характер передаваемой информации, принципы организации обмена, режимы доступа к ресурсам внутри локальной сети, как правило, отличаются от принятых в глобальной сети.

1.2. Топология информационно-вычислительных сетей

Топология ИБС имеет следующие основн�