автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математические модели прикладных элементов вычислительных сетей на основе раскрашенных сетей Петри

На правах рукописи

984606191

/

Тропик Вадим Георгиевич

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРИКЛАДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ НА ОСНОВЕ РАСКРАШЕННЫХ

СЕТЕЙ ПЕТРИ

Специальности: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 /> ИЮН 2010

Ульяновск-2010

004606191

Работа выполнена на кафедре «Информационные системы» Ульяновского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Ярушкина Надежда Глебовна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Негода Виктор Николаевич кандидат технических наук, Азов Максим Сергеевич,

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Ульяновский государственный университет», г. Ульяновск

Защита диссертации состоится 30 июня 2010 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 212.277.02 при Ульяновском государственном техническом университете по адресу: 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32, ауд. 211 (главный корпус).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_»_мая_2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор

Крашенинников В.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Научно-производственное объединение характеризуется уникальностью процессов управления: поскольку предприятие реализует цикл НИОКР от замысла, проектирования до изготовления, испытаний опытного образца, организации мелкосерийного производства наукоемкой продукции. Большой объем доработок, изменений и разнотипность обрабатываемой информации -типичные черты НПО, которые делают неизбежной высокую сложность информационной системы и сопряжение различных форматов данных и автоматизированных систем. Главной задачей информационной системы масштаба предприятия является информационная поддержка производственных, административных и управленческих процессов (бизнес-процессов), формирующих продукцию или услуги предприятия.

Одним из активно развивающихся направлений в сфере информационных технологий является проектирование вычислительных сетей (ВС), которые все более широко внедряются в различные области деятельности. Это направление содержит целый комплекс задач, включая составление схемы линий связи, расчет необходимых технических параметров коллективных сетевых устройств, серверов, рабочих станций и т.д., которые необходимо решить для успешного проектирования сети, соответствующей требованиям заказчика. Использование автоматизированных систем является неотъемлемой частью любого научно и практически обоснованного проекта сети, состоящей более чем из нескольких десятков станций. Сеть можно представить как систему массового обслуживания, состоящую из множества элементов. Это требует проведения сложных математических расчетов, которые часто требуют для своего выполнения значительных упрощений моделей устройств, законов поступления и обработки информации, схем прохождения заявок и т.д., что может привести к возникновению недопустимо больших погрешностей. Однако если пытаться реализовать модели без упрощений, то скорее всего произойдет многократное усложнение системы моделирования, что сделает ее трудно реализуемой практически на имеющихся технических средствах. Поэтому разработка новых способов представления, анализа и синтеза сетей являются актуальной для разработчиков проектных решений по установке ВС. С развитием технологий хранения, обработки и передачи информации увеличивается сложность получения эффективных решений для построения сетей, поэтому актуальность задачи по автоматизации разработок проектных решений постоянно повышается. В силу описанных выше причин автоматизация проектирования сетей во многих компаниях еще не достаточно развита. Предметом исследования в данной работе являются методы и алгоритмы, позволяющие повысить эффективность проектирования вычислительных сетей уровня крупной проектной организации.

Актуальность проблемы

За последнее десятилетие отмечается интенсивное развитие ВС. Практический потенциал в этой области накоплен значительный, однако на практике очень часто сети проектируются и устанавливаются без привлечения соответствующих научных результатов, что приводит в итоге к частым

выходам сетей из строя и их большим перегрузкам. При автоматизированном проектировании параметры ВС могут быть получены в результате вычислительного эксперимента в ходе имитации или в результате экстраполяции результатов какого-то «типового» варианта на рассматриваемый вариант сети.

Автоматизированное проектирование ВС предполагает в качестве обязательной компоненты подсистему моделирования сети. Модель ВС представляет собой топологию узлов, каналов и коммуникационного оборудования. Коммуникационное оборудование (концентраторы, коммутаторы) задается функционально. Каналы обеспечивают передачу сигналов - пакетов. Узлы на транспортном уровне представляют собой генераторы и потребители трафика. На прикладном уровне узлы делятся следующим образом: серверы данных, файловые серверы, сервера приложений, «толстые» и «тонкие» клиенты.

Современные средства автоматизированного проектирования ВС решают как задачи анализа, требующие многочисленных повторений процессов моделирования, так и задачи структурного синтеза ВС. Для использования результатов моделирования в процессе принятия проектных решений необходимо разработать функциональные модели узлов на прикладном уровне. Модели узлов и серверов корпоративной сети должны позволять оперировать прогнозными данными о трафике и вычислительной загрузке сети.

Цель диссертационной работы

Целью диссертации является разработка комплекса имитационных прикладных моделей узлов и серверов, программ моделирования вычислительных сетей и средств автоматизированного проектирования вычислительных сетей на основе данного комплекса моделей.

Задачи исследования

В соответствии с целью работы актуальными будем считать следующие задачи исследования:

1. Сравнительный анализ существующих методов и систем автоматизированного проектирования ВС, методов принятия проектных решений на основе результатов моделирования, языковых средств имитационного моделирования.

2. Разработка средств представления структуры вычислительной сети и процессов взаимодействия ее компонентов.

3. Разработка комплекса имитационных прикладных и транспортных моделей узлов вычислительной сети.

4. Разработка и реализация подсистемы автоматизации проектирования ВС и экспериментальное исследование ее результативности на примере ВС конкретной проектной организации.

Основания для выполнения работы

Данная научная работа выполнялась в рамках тематического плана научных исследований Федерального агентства по образованию в 2005, 2006, 2007, 2008 г., была поддержана грантами РФФИ № 06-01-02012 и 06-01014087 в 2006 г., № 08-01-97006 в'2008 г., ряд задач исследования решался в рамках хУд НИР № 100/05 УлГТУ по заказу ФНПЦ ОАО «НПО МАРС».

Методы исследования

Имитационное моделирование, методы математической статистики, объектно-ориентированный подход при создании комплекса программ.

Научная новизна положений, выносимых на защиту:

1. Разработана новая методика автоматизированного проектирования ВС, использующая результаты моделирования вариантов и фрагментов проекта ВС для принятия проектных решений.

2. Разработан комплекс имитационных прикладных и транспортных моделей узлов и серверов на основе раскрашенных временных сетей Петри, отличающихся от известных учетом назначения сервера: файл-сервер, сервер приложений, Йр-сервер.

3. Разработаны новые алгоритмы моделирования обработки фрейма между узлом и сервером, алгоритмы моделирования коммутационного узла.

4. Разработана новая архитектура программной системы автоматизированного проектирования ВС на основе комплекса имитационных прикладных моделей элементов ВС.

Достоверность результатов диссертационной работы

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами экспериментов, а так же результатами использования материалов диссертации и разработанной системы в проектной организации. Система моделирования была удостоена бронзовой медали на 34-м Международном салоне изобретений, новой техники и товаров "Женева-2006" (Швейцария).

Научная значимость работы.

Автор защищает: разработанные модели автоматизации проектирования вычислительных сетей; результаты теоретических, экспериментальных и практических разработок, внедрение в промышленную и опытно-промышленную эксплуатацию подсистемы имитационного моделирования ВС.

Практическая значимость работы

Созданная система автоматизации проектирования вычислительной сети практически используется на производстве и позволяет достичь улучшенных техническо-экономических показателей объектов проектирования.

Практическая ценность состоит в том, что разработанные модели и алгоритмы реализованы в форме программной системы и внедрены в деятельность ФНПЦ ОАО «НПО "Марс" (г.Ульяновск). Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими документами о внедрении.

Реализация результатов работы

Результаты работы оформлены в виде комплекса программ АС «ЭВС ПУ».

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на 3 международных конференциях, в том числе на Международной конференции «Интеллектуальные системы» AIS'07, Information Technologies: Proceeding of Russian-German scientific conférence devoted to 10-years coopération of Ulyanovsk State Technical University and Darmstadt University of Applied Science (Ульяновск, 2007), на Всероссийской конференции «Нечеткие системы и мягкие вычисления» (Ульяновск, 2008). Неоднократно докладывались на научно-технических конференциях УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 27 работ, в том числе 3 в журналах из Перечня, рекомендованного ВАК РФ.

Личный вклад

Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 178 страниц машинописного текста, 27 таблиц, 93 рисунка, список литературы из 114 наименований, 2 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность автоматизации проектирования элементов вычислительных сетей, определена ее цель и задачи, сформулированы положения, выносимые на защиту, их научная новизна и практическая ценность. Представлены основания для выполнения работы, ее апробация и структура.

Первая глава «Сравнительный анализ методов и средств автоматизированного проектирования вычислительных сетей» посвящена анализу взаимодействия процессов автоматизированного проектирования и моделирования, определению места описания и модели прикладных процессов

в автоматизированном проектировании вычислительных сетей, анализу методов моделирования вычислительных сетей и постановке задачи проектирования комплекса программ моделирования элементов вычислительной сети. Определены задачи, решаемые при проектировании ВС.

Приведено краткоё описание уровней взаимодействия модели OSI (прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический). Более подробно рассмотрен прикладной уровень (Application layer) - набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например с помощью протокола электронной почты.

Проведено описание применяемых в ВС крупной проектной организации различных типов серверов (файл-сервер, прокси-сервер и брандмауэр, DHCP, DNS, WINS, контроллер домена), толстых и тонких клиентов.

Рассмотрена модель телекоммуникационной сети, описаны параметры, качественно определяющие сетевые каналы и вычислительную сеть в целом (пропускная способность, трафик, вычислительная загрузка узлов).

Проведено сравнение современных средств описания прикладных процессов в информационных системах (UML, IDEF, DFD).

Рассмотрено имитационное моделирование как основной метод систем массового обслуживания. Приведен обзор возможностей сред моделирования (Matlab Simulink, GPSS, NS2).

Сделан вывод, что для реализации целей работы необходимо разработать модели узлов на прикладном уровне, в частности, имитационные модели серверов и клиентов. Также необходимо разработать средства представления структурно-функциональной схемы ВС. И, наконец, требуется разработать и реализовать средства моделирования ВС как программную систему и исследовать ее результативность на примере ВС конкретных проектных организаций. Модель должна содержать информацию о физическом оборудовании ВС (коммутаторах, серверах, ПЭВМ и т.д.), также модель должна позволять представлять информацию о сетевых приложениях такого рода как: сервер баз данных, сервер терминалов, сервер приложений, Web-сервер, FTP-сервер и взаимодействие нх с толстыми и тонкими клиентами. Моделирующий программный комплекс должен обеспечивать возможность моделировать и прогнозировать влияние работы приложений (наиболее ресурсоемких) на загрузку сети (в первую очередь пропускную способность) и ее элементов (использование ОЗУ и процессорной мощности серверов и пр.), потребности в модернизации, оптимизации архитектуры сети и выбора используемых программных технологий на основе теории систем массового обслуживания. Должна быть предусмотрена база знаний для накопления статистики по ресурсоемкое™ приложений с обеспечением интеллектуального анализа полученных данных. Для пользователя должна обеспечиваться возможность занесения данных в более естественном для него виде - через используемые приложения и клиент-серверные технологии и количество клиентов, а не только на уровне задания расписаний трафика.

Вторая глава «Формализованные методы и математические модели элементов вычислительной сети на прикладном уровне (ЭВС ПУ)» посвящена разработке информационной системы моделирования вычислительных сетей на прикладном уровне с применением раскрашенных сетей Петри.

В первом разделе проводится выбор формализованного алгоритма. Из проведенного анализа следует, что реализация современных проектов ВС должна вестись при поддержке эффективных средств автоматизации проектирования, моделирования и верификации. Моделирование прикладных элементов должно выполняться с применением визуальных средств отображения и созданием библиотек базовых элементов, позволяющих наращивать возможности программного продукта, повышать уровень достоверности модели, автоматизировать ряд рутинных операций при создании модели.

Приводится определение и классификация сетей Петри. Одно из важных достоинств аппарата сетей Петри заключается в том, что они могут быть представлены как в графической форме (что обеспечивает наглядность), так и в аналитической (что позволяет автоматизировать процесс их анализа). Приведены графическая и аналитическая интерпретации сетей Петри.

Для различных подклассов сетей Петри (иерархические, ингибиторные, приоритетные, временные, стохастические, нечеткие, оценочные, раскрашенные) приведены определения, возможности и ограничения. Рассмотрены причины широкого распространения сетей Петри, их применимость для создания моделей ЭВС ПУ.

Поскольку моделирование проводится на прикладном уровне, то в сети передаются не пакеты, а абстрактный объект с данными (фрейм). С помощью раскрашенных сетей Петри удобно моделировать переходы данных по вычислительной сети с выбором устройств, на которых проводится обработка. Цветами в таком случае должны выступать адреса и данные. Моделирование потерь данных при передаче по сети можно представить с помощью настройки вероятностей потери фишек на переходах. Временные сети Петри можно применять при необходимости учёта потери данных в сети при слишком медленном обслуживании запросов. Сделан вывод, что для моделирования ЭВС ПУ целесообразно использовать раскрашенные временные сети Петри.

Во втором разделе определяются основные задачи, решаемые в корпоративной сети крупной проектной организации (рисунок 1).

Интегрированная АСУП

Корпоративная есть предприятия

Интегрированная САПР (под управлением

PDM-системы)

Система доступа к сети Интернет

Информационно-лингвистическое обеспечение

Система электронного документооборота Web-портал предприятия

Система обеспечения безопасности информации

Рис. 1. Взаимосвязь автоматизированных задач в вычислительной сети крупной проектной организации.

В третьем разделе определяются математические модели ЭВС ПУ. Рабочая станция генерирует запрос по заданному расписанию с частотой указанной в базе данных приложений. Запросы генерируются каждый такт с вероятностью пропорциональной частоте по нормальному закону распределения. Параметры запроса считываются из библиотеки приложений и создаётся фрейм. Фрейм содержит параметры с коэффициентами загрузки устройств и размером запроса-ответа.

Frame = (sre, dst, Query, Answer, q_proc, q_mem, q_hdd, q_video, a_proc, amem, ahdd, a_video).

Рассмотрим параметры фрейма:

- Src, Dst цвета mac - адрес рабочей станции, аппаратного сервера на котором функционирует сервер приложения, считывается из свойств объектов визуальной модели ВС.

- Query цвета data - размер запроса, генерируется по закону нормального распределения вероятностей на основе среднего размера запроса и разброса из библиотеки приложений.

- Answer цвета data - размер ответа, генерируется по закону нормального распределения вероятностей на основе среднего размера ответа и разброса из библиотеки приложений.

- q_proc, q_mem, q_hdd, qjvideo - коэффициенты загрузки клиента (рабочей станции) цвета load из библиотеки приложений.

- a_proc, a_mem, a_hdd, a_video - коэффициенты загрузки сервера цвета load из библиотеки серверных приложений.

Переход collect в модели предназначен для сборки фрейма, позиция BuffNetOut позволяет при необходимости смоделировать дополнительную задержку перед отправкой фрейма, срабатывание перехода Send эквивалентно отправке фрейма в сеть.

Для организации связи между элементами моделируемой ВС предназначены порты и в каждой модели элемента вычислительной сети должен присутствовать хотя бы один порт. Графическая модель рабочей станции приведена на рисунке 2. frame

LAN1

[dst=own]

frarije Истинно

Receive

frame

J

Send «-( BuffNetOut

(own) mac

------

(' Own

load

' (Истинно ^(src)

>-

_(a_proc)

a_proc 'f ¡cad (a_mem) .'

('Tm^; (arMf (dst)

(q_proc)-

load

i. q_proc

(q_mem)

load

Xq hdd) /^"Г^ч (answer)"

(q_video) . ,Qad

a_hdd ) /'

'/'' (' Remote ) load /

d;

( a_video

(' Query )

lata \( Odd )

Answer ) \ load

(_ q_video ')

Истинно

frame

Истинно

frame

Mother

^BuffOutVideo FunVideo «-QBufflnVideo^j Рис. 2. Графическая модель рабочей станции.

Запрос (фрейм), сгенерированный рабочей станцией, проходит через линии связи и коммутационные устройства. После попадания в порт Lan сервера в переходе receive проводится сравнение адреса dst фрейма и адреса own сервера. При их несовпадении фрейм отбрасывается. Графическая модель сервера приведена на рисунке 3.

(dst=0wnl

fj^ LAN1 | —»I Receive"~j-

frame BuffNet

load

(own) / q_proc V

ma=' / "lar^' ■>

own i t к q_mem у

/ (q_procf

Истинно

load q_hdd load

frame

Истинно

(q_proc1)

isi>(4JT16rn)' -

I . (¿ш

I ' ;{q_video) ,oad

Истии^''^

I—^У^-Ргос)

^BuffOutProc^ * -| ^^ frame Истинно frame

'iuffOutMenT^ jFunMemV-;' BufflnMerrT'

ь

Рис. 3. Графическая модель сервера

При совпадении адресов переход срабатывает и запрос через буфер BuffOutNet попадает на переход Mother и в позиции BufflnProc, BufflnMem, BufflnHdd, BufflnVideo. Позиция BufflnMem даёт информацию о загрузке оперативной памяти по объему. Переходы FunProc, FunMem, FunHdd, Fun Video срабатывают, если соответствующее устройство (процессор, оперативная память, жесткий диск, видеокарта) готово к обработке и предназначены для получения информации о загрузке устройств. Загрузка вычисляется на основе коэффициентов фрейма и характеристик аппаратного сервера. В позиции remote меняется адрес src на dst, в позиции own меняется адрес own на dst что позволяет на переходе send пересобрать фрейм. Теперь адресом назначения фрейма стала рабочая станция и фрейм-ответ через линии связи и коммутационные устройства перенаправляется к ней.

Запрос, сгенерированный рабочей станцией, пройдя через коммутационные линии связи и устройства, аппаратный сервер, обратно через коммутационные линии и устройства попадает на порт рабочей станции. При совпадении адресов dst фрейма и own рабочей станции в переходе receive фрейм переходит в позицию BuffNet. Далее обработка фрейма-ответа в рабочей станции осуществляется аналогично тому, как это происходит на сервере. После перехода switch фрейм попадает в позицию memory, где время жизни фишки установлено нулевым для удаления фрейм после его однократного прохождения в модели ВС.

Обобщенный алгоритм обработки фрейма рабочей станцией и сервером представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Алгоритм обработки фрейма рабочей станцией и сервером.

Для создания модели коммутационного узла фреймов вычислительной сети необходимо решение следующих задач: задача заполнения и обновления таблицы маршрутизации узла, задача распределения пакетов на соответствующие адресам рабочих станций порты коммутатора. Построен алгоритм работы коммутационного узла (рисунок 5).

Рис. 5. Алгоритм обработки фрейма коммутационным узлом.

В модель коммутационного узла помимо составного цвета frame используется цвет swchframe. В состав цвета swchframe помимо цветов составного цвета frame входит переменная portown цвета port, которая несет в себе номер порта, на который должен поступить данный фрейм. Для занесения фишек в позицию таблицы и для определения порта получателя фрейма применен составной цвет swch, используемый в таблице коммутации. Структура цвета swch: portown - порт коммутатора, mac - сопоставленный данному порту адрес получателя/отправителя. На рисунке 6 приведена графическая модель коммутационного узла на основе раскрашенных сетей Петри.

Рис. 6. Графическая модель коммутационного узла на основе раскрашенных сетей Петри.

На модели отображено расположение различных цветов в модели и их движение. Фрейм, несмотря на преобразование структуры в процессе переходов сохраняет свою входную структуру на выходе. Проработана и описана детализированная модель коммутационного узла на основе раскрашенных сетей Петри.

Общий алгоритм модели состоит из двух частей: алгоритм заполнения таблицы коммутации и алгоритм распределения фреймов по портам коммутационного узла. Для определения номера порта, на который направляется фрейм, используется динамическая таблица коммутации сопоставляющая каждому известному МАС-адресу номер порта, к которому , подключено соответствующее устройство. Алгоритмы динамического построения таблицы коммутации основаны на прослушивании трафика для нахождения неизвестных МАС-адресов отправителя и создания для этих адресов новых записей таблицы. При обработке неизвестного адреса получателя пакет посылается во все порты коммутационного узла. Аналогичным образом обрабатываются фреймы широковещательной посылки, имеющие единицы во всех битах адреса получателя. Обобщенная схема моделирующего алгоритма процесса функционирования коммутационного узла представлена на следующем рисунке 7._

( Начало )

Рис. 7. Схема моделирующего алгоритма процесса функционирования коммутационного узла.

Созданы и описаны в раскрашенной сети Петри модели концентратора, линии коммутации. Поскольку в модели фигурирует фрейм, это позволяет применять унифицированную модель для различных типов линий связи, на переход фрейма по линии связи требуется минимум один такт.

Разработаны и описаны математические модели производительности и загрузыс элементов ВС.

Для описания математической модели используем условные обозначения:

- Время моделирования: ' (определяется в настройках моделирования).

- Дискретный шаг моделирования: г"(мс) (определяется в настройках моделирования).

- Величина запроса/ответа: (кБ) (из библиотеки приложений).

- Интервал усреднения: д'=1с.

- Производительность узла (эталонная): (Мбит/с). -Объем узла (эталонный): (кБ).

- Коэффициент загрузки узла: (для клиентов из библиотеки приложений, для серверов из библиотеки серверов).

ь

- Коэффициент перерасчета узла: ' (из библиотеки вычислительных систем).

- Пропускная способность узла (эталонного) V, за интервал времени (кБ*с).

- Объем загрузки узла Уы за интервал времени (кБ*с).

Загрузка узла усредняется за указанный интервал времени и зависит от размера запроса-ответа, параметров библиотеки вычислительных систем (рисунок 8). Определяется на позициях внутри моделей узлов ЭВС.

Загрузка узла в процентах будет выглядеть следующим образом:

=

К-к.

,•100%,

где

получим

V, =ы-у[

2Г

. /€Д/_

М-К-к.

-100%

Загрузка узла по производительности усредняется за указанный интервал времени и зависит от параметров библиотек вычислительных систем, приложений, серверов. Определяется на переходах внутри моделей узлов ЭВС. Пример графика задержки перехода узла приведен на рисунке 9.

%

100%

-/УК'

х-

№

IVАи 1/ V I.

Рис. 9. График задержки перехода узла Время задержки перехода узла определяется следующим образом:

Л,

Т, ==---,

V, -976,5625

где числовой коэффициент определяет разные единицы измерения (кБ и

Из этого следует, что количество тактов:

Далее определяем количество тактов задержки реального узла с реальным приложением:

,, 1,024-Я- к N = —--—-

Загрузка узла по производительности на основе полученной задержки: 2„ = ^-:--100%,

Д(

где а' ~' ' 0 - переход не активен в момент (:, 1 - переход активен в момент I.

В четвертом разделе приведено функциональное описание инструмента проектирования ВС как программной системы. Структура инструмента автоматизированного проектирования ВС на основе моделей прикладных элементов с помощью сетей Петри представлена на рисунке 10.

Рис. 10. Структура информационной системы.

Функциями инструментария моделирования ВС являются:

- представление топологии ВС;

- ведение библиотек элементов сети, моделей, программных продуктов;

- дискретное моделирование работы ВС и отображение результатов в виде графиков;

- протоколирование результатов экспериментов;

- экспорт и импорт узлов ВС через формат XML;

- экспорт топологии ВС в формат Visio.

Функциями инструментария сетей Петри являются:

- представление моделей узлов ВС на основе раскрашенных временных сетей Петри;

- дискретное моделирование работы отдельных узлов ВС и отображение результатов в виде графиков.

Раскрашенная сеть Петри, представляющая модель любого объекта ВС, содержит следующие элементы: цвета, позиции, переходы, дуги и порты. Каждый тип элементов характеризуется своими свойствами и поведением.

В третьей главе «Описание лро!раммного продукта» приводится обоснование выбора инструментария разработки, описание формата XML для представления объектов сети Петри, иерархия классов, а также методика работы с программным продуктом.

В программном продукте моделирования ЭВС ПУ реализована возможность выгрузки модели в унифицированном XML формате, разработаны иерархии классов объектов для представления элементов сетей Петри и элементов локальной ВС.

Описана пошаговая методика работы с программным продуктом.

Инструментарий моделирования вычислительных сетей позволяет создавать модель реальной или гипотетической вычислительной сети, применяя модели устройств, созданные на уровне инструментария сети Петри. Библиотека может содержать набор следующих элементов вычислительной

сети: серверы, рабочие станции, коммутационные узлы, концентраторы, маршрутизаторы, модемы, конверторы и линии связи.

В программном продукте моделирования ЭВС ПУ реализованы модели сервера, рабочей станции, коммутационного узла, концентратора, линий связи.

Для того чтобы связать элемент вычислительной сети со своей моделью на уровне параметров, необходимо заполнить его свойства. Для проведения моделирования на уровне приложений необходимо произвести первоначальное заполнение соответствующих баз данных, а именно базы данных приложений, базы данных серверов и базы данных вычислительных систем.

В описываемой системе моделирования принимается во внимание тот факт, что каждое приложение в процессе функционирования генерирует запрос определенному серверу и получает от него ответ. Параметры запроса следующие: средний объем (в байтах), разброс объема запроса (в байтах) и частота генерации запроса. В параметры ответа включаются: средний объем (в байтах) и разброс объема ответа (в байтах). Кроме того, каждое приложение в разной степени загружает ресурсы клиентской машины, что учитывается через коэффициенты загрузки клиента. Для эталонного сочетания операционной системы и приложения значения коэффициентов загрузки процессора, памяти, дисковой системы и видеокарты равны единице.

В базу данных серверов заносятся все возможные сочетания серверных операционных систем и типов серверов, которые возможны в моделируемой вычислительной сети, заносятся коэффициенты загрузки процессора, памяти, диска и видеокарты сервера для каждого сочетания операционной системы и типа сервера.

Модели прикладного уровня реализованы с помощью совокупности моделей узлов ВС, математических моделей загрузки узлов, настроек в позициях и переходах, настроек моделирования, алгоритмов обработки фрейма.

Результаты моделирования можно просмотреть в графическом виде, они протоколируются в файл, который импортируется в любой табличный редактор (например, Open Office Cale, MS Office Excel).

Для обнаружения в сети слабых мест у каждого устройства задаются пороги загрузки. После проведения вычислительного эксперимента по файлу-протоколу оцениваются наиболее слабые элементы ВС с детализацией до устройства. Это позволяет создать список устройств, требующих модернизации либо предпринять иные действия для оптимизации производительности (перераспределить задачи между рабочими станциями, серверами, поменять местами оборудование, сменить расписание работы с каким либо приложением и др.). Все сценарии модернизации также возможно промоделировать и оценить изменения производительности и загрузки.

В четвертой главе «Вычислительные эксперименты» приводятся эксперименты по проверке адекватности модели работы коммутационного узла, модели средств вычислительной техники на фрагментах сети.

В первом разделе проводится проверка адекватности модели работы коммутационного узла при помощи тестовой модели: построена тестовая модель аналогичная реализации модели. Проведены эксперименты позволяющие отследить поведение фишки при прохождении через модель коммутационного узла, пронаблюдать заполнение таблицы коммутации,

распределение фишек по портам. Модель адекватно отображает перемещение фишек через коммутационный узел.

Во втором разделе представлена проверка адекватности модели коммутационного узла на фрагментах вычислительной сети. Проведены эксперименты с сервером и рабочей станцией №1 (приложение 1С Предприятие 7.7), сервером и рабочей станцией №2 (приложение FTP-сервер), с сервером и рабочей станцией №3 (приложение СПС Кодекс Web-версия), с сервером и 3-мя рабочими станциями (на №1 приложение 1С «Предприятие 7.7», на №2 приложение FTP-сервер, на №3 приложение СПС «Кодекс» Web-версия). Вначале выполнен прогон в реальной сети (фрагмент КИСП ФНПЦ ОАО «НПО «Марс»), затем выполнена настройка параметров моделей для использованных элементов ВС, проведена серия прогонов в моделируемой системе. Результаты экспериментов близки к реальным значениям, снятым с устройств с помощью специализированного ПО (отклонения загрузки и производительности не более 10%).

В третьем разделе описана проверка адекватности модели средств вычислительной техники на фрагментах ВС. Моделирование проведено в два этапа: на первом этапе для 1 сервера и 3-х рабочих станций соединенных концентратором. На сервере и всех рабочих станциях вначале запускалось сетевое приложение 1С «Предприятие 7.7», сняты параметры загрузки. Затем запускались эксперименты с FTP, web-версией справочно-правовой системы «Кодекс». Исходные данные для моделирования приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Исходные данные для моделирования

№ эксперимента Параметры рабочей станции Параметры сервера

Приложение График работы Средний объем запроса Разброс объема запроса Средний объем ответа Разброс объема ответа Тип сервера

1 1С Предприятие 7.7. 225 s 50kb/s 35kb 48kb/s 35kb Приложений

2 FTP 113 s 6956kb/s 3350kb 6993kb/s 3361kb ftp

3 СПС Кодекс web-версия 301 s 78kb/s 46kb 7kb/s 5kb web

Описана пошаговая настройка процесса моделирования для одного из экспериментов. Усредненные результаты моделирования по 5 прогонам для

каждого эксперимента приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2. Параметры загрузки клиента

N° экспери мента Производительность процессора, % Производительность ОЗУ,% Загрузка ОЗУ, % Производительность дисковой системы, % Производительность видеоинтерфейса, %

1 26,3 24,8 48,5 0,8 7

2 45,2 20 53,7 8,7 6

3 23,3 20 53,7 2,1 6

Таблица 3. Параметры загрузки сервера

№ Производи- Производи- Производи-

экспери- тельность Производи- тельность тельность

мента процессора, тельность Загрузка дисковои системы, видеоинтерфейса.

% ОЗУ, % ОЗУ, % % %

1 2,4 19 21,2 5 3

2 22,5 21 27,5 23 4

3 0,45 18 27,4 3,8 7

Как видно по результатам экспериментов, загрузка сервера максимальна во втором эксперименте (FTP) (для производительности процессора, производительности ОЗУ, загрузки ОЗУ, производительности дисковой подсистемы), причем загрузка не достигает пороговой величины в 50% ни для одного из параметров. Для клиентов максимальная загрузка во втором случае (для производительности процессора, загрузке ОЗУ, производительности дисковой подсистемы), загрузка выше порогового значения в 50% достигается для загрузки ОЗУ - рекомендацией может являться увеличение объема ОЗУ.

Для моделирования большего сегмента сети был создан специальный стенд из 1 сервера и 9 клиентов соединенных коммутатором (в составе КИСП ФНПЦ ОАО «НПО «Марс»). Проверялись 3 сетевых приложения (1С Предприятие 7.7 SQL-версия, FTP-сервер, Кодекс Web-сервер) запущенные на всех рабочих станциях в комбинациях: 1С Предприятие 7.7 SQL-версия, FTP-сервер, Кодекс Web-cepBep, все приложения вместе. После выполнения настроек проведены вычислительные эксперименты. Приведем графическое представление усредненных результатов моделирования работы 3-х приложений (рисунок 11)

ok- ok- ok- ok- ok- ok- ok- ok- ok-klassl klass2 k!ass3 klass5 klass6 klass7 klass8 klass9 klass4

—Производи- тельностъ

процессора -»--■ Производительность ОЗУ

Загрузка ОЗУ

Производительность дисковой системы —Производительность видеоинтерфейса

Рис. 11. Графическое представление усредненных результатов моделирования работы 3-х приложений.

Из результатов эксперимента можно заметить, что нагрузка на рабочие станции по некоторым показателям превышает пороговое значения в 50%, а именно загрузка ОЗУ у СВТ ok-klass5 (76,2%) и ok-klass3 (69,2%), производительность процессора у СВТ ok-klass5 (65,6%) и ok-klass4 (65,2%), производительность ОЗУ у СВТ ok-klass5 (56,2) и ok-klass3 (52,7%).

Несколько параметров загрузки сервера ptkl-server превышают пороговое значение 50%: производительность процессора 76,6%, производительность ОЗУ 75,1%, производительность дисковой системы 72,2%, загрузка ОЗУ 63,2%. По итогам экспериментов можно сделать вывод, что в указанной системе слабым местом является сервер (требуется более мощный процессор, более быстрая и объемная ОЗУ, модернизация дисковой подсистемы). Другой вывод свидетельствует о том, что для различных серверных приложений в данном случае целесообразно применять разные аппаратные сервера.

Заключение.

На сегодняшний день не существует систем моделирования, позволяющих проводить моделирование на прикладном уровне с возможностью создания отдельных моделей по приложениям и устройствам, синтеза из них вычислительной сети. Но конечные пользователи работают именно в программных средах и при моделировании, оптимизации структуры и состава вычислительной сети необходимо учитывать как структуру вычислительной сети, так и приложения предполагаемые к внедрению, либо уже применяемые.

Главным итогом диссертационной работы является создание ряда моделей, методов, алгоритмов и средств автоматизированного проектирования элементов ВС на прикладном уровне с применением раскрашенных временных сетей Петри.

В ходе диссертационного исследования получены следующие основные результаты:

Главным итогом диссертационной работы является создание ряда моделей, методов, алгоритмов и средств автоматизированного проектирования ВС.

1. Выполнен научный анализ современных работ по автоматизированному проектированию и моделированию вычислительных сетей, обоснована целесообразность использования этапа моделирования в ходе автоматизированного проектирования.

2. Выполнен сравнительный анализ существующих систем автоматизированного проектирования и моделирования вычислительных сетей, а так же анализ существующих языков имитационного моделирования, который показал актуальность создания новых функциональных моделей на основе сетей Петри.

3. Разработаны имитационные модели различных серверов: приложений, web, файл-серверов.

4. Разработаны имитационные модели различных клиентов на основе сетей Петри.

5. Проведены вычислительные эксперименты по исследованию эффективности разработанной системы моделирования элементов ВС с применением сетей Петри. Сравнение измерений реального трафика и результатов вычислительных экспериментов выявило что средняя ошибка моделирования не превышает 10%.

6. Программная система автоматизированного проектирования и моделирования внедрена и используется при проектных работах для выявления узких мест в составе корпоративной сети ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС» (Ульяновск 2008 г., 2009г.). В результате эксплуатации системы на ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС» разработан план модернизации сегмента сети. В результате осуществления модернизации средняя загрузка критичных узлов снизилась на 18%.

Таким образом, в диссертации решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное хозяйственное значение для развития вычислительных сетей, а именно: разработаны методы и средства имитационного моделирования и автоматизированного проектирования сетей на транспортном и прикладном уровнях.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных Перечнем ВАК России:

1. Тронин В.Г., Наместников A.M. Примеры реализаций систем имитационного моделирования вычислительных сетей //«Инфокоммуникационные технологии». Периодический научно-технический и информационно-аналитический журнал, Том.6, №1, 2008.

- Самара: Типография ООО «Аэропринт», 2008. - С.84-88 (5с.).

2. Тронин В.Г. Моделирование вычислительной сети научно-производственного объединения на уровне приложений //«Инфокоммуникационные технологии». Периодический научно-технический и информационно-аналитический журнал, Том.6, №2, 2008.

- Самара: Типография ООО «Аэропринт», 2008. - С.87-91 (4с.).

3. Тронин В.Г., Стецко A.A. Моделирование сервера и рабочей станции вычислительной сети с помощью раскрашенных сетей Петри // Приложение к международному журналу «Проблемы теории и практики управления» - «Программные продукты и системы» - №3(83) - 2008г. -С.95-97 (Зс.).

Основные статьи по теме диссертации в прочих изданиях: 1. Тронин В.Г. Создание корпоративной сети предприятия. //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления». - №2 - 2003г. - Ульяновск, Типография ФГУП НПО «МАРС». - С.82-85 (4с.).

2. Селяев А.Г., Троими В.Г. Системы автоматизации документооборота //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления». - №1(3) - 2004г. -Ульяновск, Типография ФГУП НПО «МАРС». - С.34-36 (Зс.).

3. Коноватов Ю.Е., Тронин В.Г. Варианты организации службы эксплуатации и развития информационной системы предприятия. //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления» - №2(4) - 2004г. - Ульяновск, Типография УлГТУ. - С.34-37 (4с.).

4. Тронин В.Г., Сергеева Т.Н. Документирование создания информационной системы предприятия //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления».

- №2(4) - 2004г. - Ульяновск, Типография УлГТУ. - С.43-47 (5с.).

5. Тронин В.Г., Бекшаева М.В. Опыт создания системы доступа к сети Интернет. //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления». - №2(4) -2004г. - Ульяновск, Типография УлГТУ. - Ci 124-127 (4с.).

6. Тронин В.Г. Анализ взаимодействия моделей информационной системы и вычислительной сети. //Тезисы докладов XXXIX научно-технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях». Часть 1. - Ульяновск, 2005. -С.87 (1с.).

7. Селяев А.Г., Тронин В.Г. Интеллектуальный репозитарий электронных документов. //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления». - №1(5) -2005г. - Ульяновск, Типография ООО «Мастер-Студия». - С.30-32 (Зс.).

8. Тронин В.Г., Селяев А.Г. Построение эффективной базы данных конфигурационного управления элементами информационной системы предприятия //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления». - №2(6) - 2005г. -Ульяновск, Типография ФГУП НПО МАРС. - С.102-105 (4с.).

9. Тронин В.Г. Показатели уровня использования информационных технологий //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления». - №2(6) -2005г. - Ульяновск, Типография ФГУП НПО МАРС. - С.113-117 (5с.).

10. Тронин В.Г. Выбор приоритетов на этапах создания и роста корпоративной информационной сети //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления». - №1 (7) - 2006г. - Ульяновск, Типография ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС».

- С.12-17 (6с.). ,

11. Тронин В.Г., Ефимов Д.В. Резервное копирование в корпоративной информационной сети НПО //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления». -№2(8) - 2006г. - Ульяновск, Типография ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС». - С. 199-203 (5с.).

12. Тронин В.Г., Коновалов Ю.Е. Распределение задач по развитию информационной системы и внедрению новых информационных технологий НПО //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления». - №2(8) - 2006г. -Ульяновск, Типография ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС». - С.204-208 (5с.).

13. Селяев А.Г., Тронин В.Г. Проектирование базы данных управления конфигурацией вычислительной техники предприятия (статья на англ. языке) //Информационные технологии: Сборник трудов Российско-Германской научной конференции посвященной 10-летию сотрудничества УлГТУ и Дармштадского Университета Прикладной Науки. - Ульяновск, УлГТУ, 2007. - С.64-67 (4с.).

14. Тронин В.Г. Индикаторы применения информационных технологий (статья на англ. языке) //Информационные технологии: Сборник трудов Российско-Германской научной конференции посвященной 10-летию сотрудничества УлГТУ и Дармштадского Университета Прикладной Науки. - Ульяновск, УлГТУ, 2007. - С.84-88 (5с.).

15. Ярушкина Н.Г., Макеев A.C., Стецко A.A., Тронин В.Г. Автоматизированное проектирование корпоративных сетей на основе нечетких гиперграфов. //В кн. тр.

Международной конференции «Интеллектуальные системы» AIS'07, М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007 - 6с.

16. Тронин В.Г. Методика аудита коммутаций корпоративной информационной сети НПО //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления». - №1(9)

- 2007г. - Ульяновск, Типография ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС». - С.96-99 (4с.).

17. Тронин В.Г. Применение раскрашенных сетей Петри в моделировании вычислительной сети //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления» - №2(10) - 2007г. - Ульяновск, Типография ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС».

- С.98-103 (6с.).

18. Тронин В.Г. Представление аппаратного сервера в программном продукте моделирования на прикладном уровне вычислительной сети с помощью раскрашенных сетей Петри. //Тезисы докладов 42-й научно-технической конференций УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях» (28 января - 4 февраля 2008 года). - Ульяновск: УлГТУ, 2008. - С.128 (1с.).

19. Тронин В.Г., Стецко A.A. Моделирование сервера и рабочей станции вычислительной сети с помощью раскрашенных сетей Петри. //Межвузовский сборник научных трудов «Информационные технологии» - Ульяновск: УлГТУ, 2008. -с.132-135 (4с.).

20. Селяев А.Г., Тронин В.Г. Формирование современных динамических информационно-поисковых систем //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления». - №1(11) - 2008г. - Ульяновск, Типография ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС». - С.93-96 (4с.).

21. Радионова Ю.А,, Тронин В.Г. Модель включения электронного архива конструкторской и технической документации в информационное хранилище предприятия //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления».

- №1(11) - 2008г. - Ульяновск, Типография ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС». - С.97-100 (4с.).

22. Радионова Ю.А., Тронин В.Г. Проектирование структуры данных архива электронных документов НПО с использованием средств MS SQL Server 2000 //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления» - №2(12) -2008г. - Ульяновск, Типография ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС». - С. 119-123 (5с.).

23. Тронин В.Г., Радионова Ю.А. Классификация технической документации на основе лексического анализа децимального номера //Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления». - №3(13) - 2008г. - Ульяновск, Типография ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС». - С.69-72 (4с.).

24. Тронин В.Г., Стецко A.A. Модели сервера и рабочей станции в программном продукте моделирования вычислительной сети научно-производственного объединения на уровне приложений с помощью раскрашенных сетей Петри //Труды Всероссийской конференции «Нечеткие системы и мягкие вычисления», Ульяновск, 2008. - Том 2, с.64-67 (4с.)

Тронин Вадим Георгиевич

Математические модели прикладных элементов вычислительных сетей на основе раскрашенных сетей Петри

Автореферат

Подписано в печать. 26.05.2010. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ №615. Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, Северный Венец, 32.

1Л

Введение.

Глава 1 Сравнительный анализ методов и средств автоматизированного проектирования вычислительных сетей.

1.1. Взаимодействие процессов автоматизированного проектирования и моделирования.

1.1.1. Задачи моделирования.

1.1.2. Сетевые протоколы.

1.1.3. Место сетевых служб в локальной сети.

1.2. Место описания и модели прикладных процессов в автоматизированном проектировании вычислительных сетей.

1.2.1. Математические модели трафика. Виды переменных, характеризующих вычислительную сеть.

1.2.2. Современные средства описания прикладных процессов в информационных системах.

1.3. Анализ методов моделирования вычислительных сетей в процессе автоматизированного проектирования.

4 • 1.3.1. Имитационное моделирование — основной метод систем массового обслуживания.

• .1.3.2. Модели теории массового обслуживания.

• 1.3.3. Исследование возможностей метода в среде GPSS (General Purpose Simulation System).

1.3.4. Исследование возможностей метода в среде Simulink. Matlab.

1.3.5. Программный проект NS2.

1.3.6. Постановка задачи.

Глава 2 Формализованные методы и математические модели элементов вычислительной сети на прикладном уровне (ЭВС ПУ).-.

2.1. Выбор формализованного алгоритма.

2.1.1 Факторы объектов

2.1.2. Определение сетей Петри, классификация.

2.1.3. Определение, возможности и ограничения подклассов.

2.1.4. Выбор разновидностей сетей Петри.

2.2. Описание характеристик, операций, задач.

2.2.1 Интранет-портал (web-сервер).

2.2.2 Сервер приложений.

2.2.3 Сервер баз данных.

2.2.4 «Толстый» и «тонкий» клиент.

2.2.5 Система обеспечения безопасности информации. 2.2.6 Интегрированная АСУ.

2.2.6 Интегрированная САПР.

2.2.7 Почтовый сервер.

2.3. Математические модели ЭВС ПУ.

2.3.1 Модель сервера и рабочей станции.

2.3.2. Модель коммутационного узла.

2.3.3 Модель концентратора.

2.3.4 Модель линии коммутации.

2.3.5 Производительность и загрузка. Математическая модель.

2.4. Функциональное описание инструмента проектирования вычислительной сети как программной системы.

2.4.1 Структура инструмента автоматизированного проектирования вычислительных сетей на основе моделей прикладных элементов с помощью сетей Петри.

2.4.2 Инструментарий сетей Петри.

Глава 3 Описание программного продукта.

3.1 Выбор среды разработки.

3.2 Описание формата XML для представления объектов сети Петри.

3.3 Иерархия классов.93

3.4 Методика работы с программным продуктом.

3.4.1 Связь элемента вычислительной сети с моделью.

3.4.2 Заполнение баз данных инструментария.

3.4.3 Построение модели вычислительной сети.

3.4.5 Моделирование вычислительной сети.

Глава 4 Вычислительные эксперименты.

4.1 Проверка адекватности модели работы коммутационного узла при помощи тестовой модели.

4.1.1 Ситуация №1.

4.1.2 Ситуация №2.

4.1.3 Ситуация №3.

4.1.4 Ситуация №4.

4.2 Проверка адекватности модели коммутационного узла на фрагментах вычислительной сети.

4.2.1 Эксперимент по загрузке коммутатора с сервером и рабочей станцией №1.

4.2.2 Эксперимент по загрузке коммутатора с сервером и рабочей станцией №2.

4.2.3 Эксперимент по загрузке коммутатора с сервером и рабочей станцией №3.

4.2.4 Эксперимент по загрузке коммутатора с сервером и 3-мя рабочими станциями.

4.3 Проверка адекватности модели средств вычислительной техники на фрагментах вычислительной сети.

4.3.1 Моделирование сервера и 3 клиентов.

4.3.2 Моделирование сервера и 9 клиентов.

Научно-производственное объединение характеризуется уникальностью процессов управления: поскольку предприятие реализует цикл НИОКР от замысла, проектирования до изготовления, испытаний опытного образца, организации мелкосерийного производства наукоемкой продукции. Большой объем доработок, изменений и разнотипность обрабатываемой информации — типичные черты крупной проектной организации, которые делают неизбежной высокую сложность информационной системы и сопряжение различных форматов данных и автоматизированных систем.

Главной задачей информационной системы масштаба предприятия является информационная поддержка производственных, административных и управленческих процессов (бизнес-процессов), формирующих продукцию или услуги предприятия. За последние десятилетия радикально изменились принципы, методы построения и архитектура такой системы. Так, если в 60-х годах считалось, что никакой процесс не должен автоматизироваться до тех пор, пока он функционирует эффективно, то сегодня господствующим является прямо противоположный подход. Считается, что любой процесс должен автоматизироваться только после того, как он эффективно организован.

Эти изменения явились результатом обобщения опыта построения множества информационных систем, в которых автоматизация отдельных операций или сложившихся "ручных" процедур приносила локальные временные улучшения, не затрагивающие общую эффективность работы.

Главными особенностями современного подхода к построению корпоративной информационной системы предприятия являются:

- всесторонний анализ бизнес-процессов, на основе которого производится разработка проекта информационной системы и обоснование заложенных в нем решений;

- использование широкой палитры современных методологий и инструментальных средств моделирования и проектирования систем;

- детальная проработка и согласование с заказчиком всех этапов разработки проекта, контрольных точек, требуемых ресурсов.

Такой подход обеспечивает разработку интегрированных решений, построенных на объективных данных о работе предприятия и направлен на сохранение сделанных в систему инвестиций.

Можно выделить четыре направления автоматизации крупной проектной организации:

- Первое направление автоматизации является общим для всех видов предприятий и связано с автоматизацией общехозяйственной деятельности предприятия (кадровый, бухгалтерский, складской учет и т.д.). Для автоматизации такого рода процессов предназначена ERP-система.

- Второе - связано с автоматизацией процессов прохождения конструкторской технологической документации и изготовления опытного образца; Для хранения всей информации по данным процессам предназначена PDM/PLM система.

- Третье направление связано с процессами создания программного обеспечения. Для хранения всей информации предназначен проектный репозитарий на базе средств управления конфигурацией ПО.

- Четвертое направление — автоматизация специализированных задач таких как внутренний документооборот (docflow), процессы капитального строительства, система менеджмента качества предприятиям т.д.

В настоящее время происходит бурное развитие в сфере информационных технологий. С одной стороны, этому способствуют многочисленные открытия в технологии производства микропроцессорной техники, сред передачи данных и т.д. С другой стороны, многие отрасли, не связанные напрямую с информационными технологиями, . не могут существовать без применения значительных вычислительных ресурсов;

Одним из активно развивающихся направлений в сфере информационных технологий является проектирование вычислительных сетей, которые все более широко внедряются в различные области деятельности. Это направление содержит целый комплекс задач, включая составление схемы линий связи, расчет необходимых технических параметров коллективных сетевых устройств, серверов, рабочих станций и т.д., которые необходимо решить для успешного проектирования сети, соответствующей требованиям заказчика. Очевидно, что чрезвычайно сложно проводить проектирование сети без помощи средств автоматизации, поскольку проект должен быть подтвержден математическими расчетами, основанными на большом числе характеристик. Поэтому использование автоматизированных систем является неотъемлемой частью любого научно и практически обоснованного проекта сети, состоящей более чем из нескольких десятков станций. Практически любую сеть можно представить как систему массового обслуживания, состоящую из множества элементов. Это требует проведения сложных математических расчетов, которые часто требуют для своего выполнения значительных упрощений моделей устройств, законов поступления и обработки информации, схем прохождения заявок и т.д., что может привести к возникновению недопустимо больших погрешностей. Однако, если пытаться реализовать модели без упрощений, то скорее всего произойдет многократное усложнение системы моделирования, что сделает ее трудно реализуемой практически на имеющихся технических средствах. Поэтому разработка новых способов представления, анализа и синтеза сетей являются актуальной для разработчиков проектных решений по установке вычислительных сетей.

Для реализации целей работы предварительно необходимо провести сравнительный анализ существующих методов и систем моделирования ВС, а также существующих языковых средств имитационного моделирования. С развитием технологий хранения, обработки и передачи информации увеличивается сложность получения эффективных решений для построения 4 сетей, поэтому актуальность задачи по автоматизации разработок проектных решений постоянно повышается. В силу описанных выше причин автоматизация проектирования сетей во многих компаниях еще недостаточно развита.

Предметом исследования в данной работе являются методы и алгоритмы, позволяющие повысить эффективность проектирования вычислительных сетей уровня крупной проектной организации.

Научная новизна положений, выносимых на защиту:

1. Разработана новая методика автоматизированного проектирования ВС, использующая результаты моделирования вариантов и фрагментов проекта ВС для принятия проектных решений.

2. Разработан комплекс имитационных прикладных и транспортных моделей узлов и серверов на основе раскрашенных временных сетей Петри, отличающихся от известных учетом назначения сервера: файл-сервер, сервер приложений, йр-сервер.

3. Разработаны новые алгоритмы моделирования обработки фрейма между узлом и сервером, алгоритмы моделирования коммутационного узла.

4. Разработана новая архитектура программной системы автоматизированного проектирования ВС на основе комплекса имитационных прикладных моделей элементов ВС.

Достоверность результатов диссертационной работы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами экспериментов, а так же результатами использования материалов диссертации и разработанной системы в проектной организации. Система моделирования была удостоена бронзовой медали на 34-м Международном салоне изобретений, новой техники и товаров "Женева-2006" (Швейцария).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Имитационные модели узлов ВС на прикладном и транспортном уровне с помощью раскрашенных сетей Петри, в том числе модели серверов, клиентов, коммутационных узлов.

2. Средства представления структурно-функциональной схемы ВС.

3. Модели загрузки узлов ВС.

4. Структурно-функциональное решение программы моделирования элементов ВС на прикладном уровне с помощью раскрашенных сетей Петри.

Научная значимость работы

Автор защищает: разработанные модели автоматизации проектирования вычислительных сетей; результаты теоретических, экспериментальных и практических разработок, внедрение в промышленную и опытно-промышленную эксплуатацию подсистемы имитационного моделирования ВС.

Практическая значимость работы

Созданная система автоматизации проектирования вычислительной сети практически используется на производстве и позволяет достичь улучшенных техническо-экономических показателей объектов проектирования.

Практическая ценность состоит в том, что разработанные модели и алгоритмы реализованы в форме программной системы и внедрены в деятельность ФНПЦ ОАО «НПО "Марс" (г.Ульяновск). Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими документами о внедрении. Реализация результатов работы

Результаты работы оформлены в виде комплекса программ АС «ЭВС

ПУ».

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на 2 международных конференциях, в том числе на Международной конференции «Интеллектуальные системы» AIS'07, Information Technologies: Proceeding of Russian-German scientific conference devoted to 10-years cooperation of Ulyanovsk State Technical University and Darmstadt University of Applied Science (Ульяновск, 2007), на Всероссийской конференции «Нечеткие системы и мягкие вычисления» (Ульяновск, 2008). Неоднократно докладывались на научно-технических конференциях УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях».

Выход

Рис. 4.21. Занесение данных по вычислительным системам

Настройка связей рабочей станции с приложениями

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

На сегодняшний день не существует систем моделирования, позволяющих проводить моделирование на прикладном уровне с возможностью создания отдельных моделей по приложениям и устройствам, возможностью синтеза из них вычислительной сети. Но конечные пользователи работают именно в программных средах и при моделировании, оптимизации структуры и состава вычислительной сети необходимо учитывать как структуру вычислительной сети, так и приложения предполагаемые к внедрению, либо уже применяемые.

Главным итогом диссертационной работы является создание ряда моделей, методов, алгоритмов и средств автоматизированного проектирования ВС. Основные результаты

1. Выполнен научный анализ современных работ по автоматизированному проектированию и моделированию вычислительных сетей, обоснована целесообразность использования этапа моделирования в ходе автоматизированного проектирования.

2. Выполнен сравнительный анализ существующих систем автоматизированного проектирования и моделирования вычислительных сетей, а так же анализ существующих языков имитационного моделирования, который показал актуальность создания новых функциональных моделей на основе сетей Петри.

3. Разработаны имитационные модели различных серверов: приложений, web, файл-серверов.

4. Разработаны имитационные модели различных клиентов на основе сетей Петри.

5. Проведены вычислительные эксперименты по исследованию эффективности разработанной системы моделирования элементов ВС с применением сетей Петри. Сравнение измерений реального трафика и результатов вычислительных экспериментов выявило что средняя ошибка моделирования не превышает 10%.

6. Программная система автоматизированного проектирования и моделирования внедрена и используется при проектных работах для выявления узких мест в составе корпоративной сети ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС» (Ульяновск 2008 г., 2009г.). В результате эксплуатации системы на ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС» разработан план модернизации сегмента сети. В результате осуществления модернизации средняя загрузка критичных узлов снизилась на 18%.

Таким образом, в диссертации решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное хозяйственное значение для развития вычислительных сетей, а именно: разработаны методы и средства имитационного моделирования и автоматизированного проектирования сетей на транспортном и прикладном уровнях.

1. Mazouz. Mazouz S.; Petrucci L. Modular Discrete Pseudo-State Graphs for Time Petri Nets, 2006.

2. Moody. J.O. Moody, P. J. Antsaklis. Supervisory Control of Discrete Event Systems Using Petri Nets. Kluwer Academic Publishers, 1998, ISBN: 0-79238199-8.

3. Nielsen. M. Nielsen, G. Plotkin, and G. Winskel. Petri Nets, Event Structures and Domains. Theoretical Computer Science, 13(1):85-108, 1980 Petri] Petri Carl Adam. Nets, Time and Space. 1996.

4. Reisig. Reisig Wolfgang. A Primer in Petri Net Design. Springer-Verlag. ISBN 3540-52044-9.

5. Riemann. Riemann Robert-Christoph. Modelling of Concurrent Systems: Structural and Semantical Methods in the High Level Petri Net Calculus. Herbert Utz Verlag. ISBN 3-89675-629-X.

6. Scarpa. Scarpa Marco, Puliafito Antonio, Villari Massimo, Zaia Angelo. A Modeling Technique for the Performance Analysis of Web Searching Applications. 2004.

7. Thierry-Mieg. Thierry-Mieg Yann, Ilie Jean-Michel, Poitrenaud Denis. A Symbolic Symbolic State Space Representation. 2004.

8. Tiplea. Tiplea F.L., Marinescu D.C., Lin C. Model Checking and Abstraction for Workflow Net Verification. 2004.

9. Ануфриев. Ануфриев И., Смирнов А., Смирнова Е. MATLAB 7.0 в подлиннике. М.: Новая техническая книга, 2005.

10. Батыршин и др., 2007. Батыршин И.З., Недосекин А.О., Стецко А.А., Тарасов В.Б., Язенин А.В., Ярушкина Н.Г. Нечеткие гибридные системы. Теория и практика /Под ред.Н.Г.Ярушкиной. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. -207с.

11. Боев. Боев В.Д. Моделирование систем. Инструментальные средства GPSS World. СПб.: BHV, 2004.

12. Борисов. Борисов А.Н., Федоров И.П. Формирование технических решений на основе экспертных знаний. Изв. АН СССР, Техническая кибернетика 5 1990, с.154-164.

13. Бочаров. Бочаров П.П., Печинкин А.В. Теория массового обслуживания. -М.: РУДН, 1995. С. 530.

14. Вавилов. Вавилов А.А. и др. Имитационное моделирование производственных систем М.: Техника, 1983 г.

15. Варжапетян. Варжапетян А.Г. Классификация и перспективы компьютерного моделирования Качество и ИЛИ (САЬЗ)-технологии №2 (6), апрель-июнь 2005г. С.25-28.

16. Вендров. Вендров A.M. Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем М: Финансы и статистика-2002 Вентцель] Вентцель Е.С. Овчаров JI.A. Теория вероятностей и ее инженерные приложения — М: Высш.шк., 2000.о

17. Вилкас. Вилкас Э. И., Майминас Е. 3. Решения: теория, информация, моделирование. М., Радио и связь, 1981.

18. Вишневский. Вишневский В.М. Теоретические аспекты проектирования компьютерных сетей. Москва, Техносфера, 2003. - 512с. Галкин] Галкин В.А., Григорьев Ю.А. Телекоммуникации и сети - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003 - 608с.

19. Гамаюн. Гамаюн И.П. Разработка имитационных моделей на основе сетей Петри: Учебное пособие. Харьков: НТУ "ХПИ", 2002. - 143 с. Гнеденко] Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания.

20. Голиков. Голиков В.К., Матусов К.Н., Сысоев В.В. Сети Петри в ситуационном управлении и имитационном моделировании дискретных технологических систем М.: ИПРЖР, 2002. - 227с.

21. Гордеев. Гордеев А.В., Молчанов А.Ю. Системное программное обеспечение: Учебник для вузов. СПб.: Питер, 2003

22. ГОСТ IDEF. ГОСТ Р 50.1.028-2001. «Информационные, технологии поддержки жизненного цикла продукции. Методология функционального моделирования»

23. ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207.0. ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207.0 «Стандарт по информационным технологиям. Процессы жизненного цикла программного обеспечения».

24. Денисова. Денисова Т.Б. Управление входным потоком и скоростью обслуживания в системах массового обслуживания

25. Каляев. Каляев И. А. Использование принципов коллективного принятия решений при распределении потока задач в компьютерных сетях. //Информационные технологии, 2002, № 9. Издательство "Новые технологии"/ - С.31-37.

26. Клейнрок. Клейнрок JI. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979.

27. Кондратов. Кондратов В., Королев С. Matlab как система программирования научно-технических расчетов. -М.:Мир. 2002. Котов] Котов В. Е. Сети Петри. М: Наука, 1984.

28. Коханенко. Коханенко И.К. Правила распределения моделей по узлам вычислительной сети //Информационные технологии, №2, 2008. Издательство "Новые технологии". С.36-41.

29. Кривил ев. Кривилев А. Основы компьютерной математики с использованием системы MATLAB. Лекс-Книга, 2005.

30. Кристофидес. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978.

31. Круглов. Круглов В.В., Дли М.И. Интеллектуальные информационные системы: компьютерная поддержка систем нечеткой логики и нечеткого вывода. М.: Физматлит, 2002. — 256с.

32. Крюков. Крюков В. А. Разработка параллельных программ для вычислительных кластеров и сетей.//Информационные технологии и вычислительные системы. 2003. № 1-2. С.42-61.

33. Кудрявцев. Кудрявцев Е. М. GPSS World. Основы имитационного моделирования различных систем.

34. Кулагин. Кулагин В.П. Моделирование структур параллельных вычислительных систем на основе сетевых моделей: Учебное пособие. -Москва: Московский государственный институт электроники и математики (технический университет), 1998. — 102с.

35. Кульгин. Кульгин М.В. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия. — СПб: Питер, 1999. 704с.

36. Лескин. Лескин А.А., Мальцев П.А., Спиридонов A.M. Сети Петри в моделировании и управлении. Л.: Наука, 1989. - 133с.

37. Литвак. Литвак Б.Г. Экспертная информация. Методы получения и анализа. М.: Радио и связь, 1982. - 184 с.

38. Майника. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах /Под ред. Е.К.Масловского М.: Мир,1981. - 322 с.

39. Макаров. Макаров И.М., Назаретов В.М., Кульба А.В., Швецов А.Р. Сети Петри с разноцветными маркерами. //Техническая кибернетика, 1987, № 6. -С. 101-107.

40. Максименков, 1991. Максименков А.В., Селезнев М.Л. Основы проектирования информационно-вычислительных систем и сетей ЭВМ. М.: Радио и связь, 1991.

41. Моисеев, 1981. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. -М.: Наука, 1981.-487 с.

42. Наместников. Разработка имитационных моделей в среде MATLAB: методические указания / сост. А. А. Наместников. Ульяновск: УлГТУ, 2004. -72с.

43. Нечипоренко. Нечипоренко В.И. Структурный анализ систем (эффективность и надежность). М.: Сов. радио. 1977.

44. Нечепуренко. Нечепуренко М.И., Попков В.К., Майнагашев С.М. и др. Алгоритмы и программы решения задач на графах и сетях. Новосибирск: Наука, 1990.

45. Овчаров. Овчаров, JI. А. Прикладные задачи теории массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1969. 324с.

46. Олифер, 2001. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. — СПб.: Питер, 2001. 672с., ил. Олифер, 2002] Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. -СПб.: Питер, 2002. - 544с., ил.

47. Осипов, 1997. Осипов Г. С. Приобретение знаний интеллектуальными системами. М.: Наука, 1997.

48. Осипов, 2007. Осипов Л. А. Моделирование информационных процессов: Учебное пособие. М.: РГОТУПС, 2007

49. Павловский. Павловский Ю.Н. Имитационные модели и системы. М.: ФАЗИС, ВЦ РАН, 2000.

50. Питерсон. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 264 е., ил.

51. Поспелов. Искусственный интеллект: Справочник: В 3 кн. / Под ред. Д.А. Поспелова. М.: Радио и связь, 1990. - Кн.2: Модели и методы. - 304 с. Рыжиков] Рыжиков Ю.И. Имитационное моделирование: Теория и технологии. - М., 2004 г.

52. Савельев. Савельев А.Я. Принципы организации цифровых машин. М: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001

53. Семенов. Семенов А.Б. Проектирование и расчет структурированных кабельных систем и их компонентов. М.: ДМК Пресс; М.: Компания АйТи, 2003. - 416+16с., ил.

54. Сергеев. Сергеев А.П. Офисные локальные сети. Самоучитель. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. - 320с., ил.

55. Советов, 1985. Советов Б.А., Яковлев С.А. Моделирование систем. — М.: Высш.шк., 1985

56. Таненбаум. Таненбаум Э. Современные операционные системы. 2-е изд. СПБ.: Питер, 2002. -1040с., ил.

57. Твердохлебов. Твердохлебов Р. Е., Перегуда А. И. Математическая модель надежности распределенных вычислительных систем //Методы менеджмента качества, 2006, № 3. С.42-48.

58. Тронин, 2003. Тронин В.Г. Создание корпоративной сети предприятия. //Автоматизация процессов управления №2/2003. Ульяновск: Типография ФГУП «НПО «МАРС», 2003. С.82-85.

59. Тронин, 2008а. Тронин В.Г., Наместников A.M. Примеры реализаций систем имитационного моделирования вычислительных сетей

60. Филлипс. Филлипс Д., Гарсиа-Диас А. Методы анализа сетей. М.: Мир, 1984.

61. Шелухин. Шелухин О. И., Тенякешев А. М., Осин А. В. Моделирование информационных систем.- М.: Радиотехника, 2005.

62. Шеннон. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. М., 1978.

63. Якубайтис. Якубайтис Э. А. Информационные сети и системы М.: Финансы и статистика, 1996.

64. Ярушкина, 2007. Ярушкина Н.Г., Макеев А.С., Стецко А.А., Тронин В.Г. Автоматизированное проектирование корпоративных сетей на основенечетких гиперграфов. //В кн. тр. Международной конференции «Интеллектуальные системы» AIS'07, М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007.