автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Методы и средства оценки работоспособности ЛВС с применением имитационного моделирования

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛВС.

1Л Локальные вычислительные сети как системы обработки данных.

1.2 Классификация ЛВС.

1.2.1 Топология ЛВС.

1.2.2 Функционирование сетей на аппаратном и логическом уровнях.

1.3 Анализ стандартов ЛВС и их сравнение.

1.4 Модель взаимодействия открытых систем (081).

1.5 Функции сетевых анализаторов.

1.6 Постановка задачи анализа работоспособности при проектировании ЛВС.

1.7 Средства имитационного моделирования в проектировании ЛВС.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ АНАЛИЗА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЛВС.

2.1 Разработка подхода к диагностике ЛВС при их проектировании.

2.2 Задача диагностики и анализа ЛВС как задача координации.

2.3 Формальная постановка задачи.

2.4 Выбор базовых элементов для построения модели.

2.5 Основные понятия имитационного моделирования.

2.6 Представление имитационных моделей базовых элементов сети в виде

АМПС.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПОДСИСТЕМЫ

ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ.

3.1 Разработка функциональной схемы подсистемы.

3.2 Структура базы данных.

3.3 Взаимосвязь протоколов и объектов в моделируемых сетях.

3.4 Средства генерации модели.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОДСИСТЕМЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АНАЛИЗА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЛВС.

4.1 Требования к программной реализации и аппаратному обеспечению.

4.2 Особенности работы с приложением LAN Analizer.

4.3 Использование подсистемы.

ВЫВОДЫ.

Новейшие достижения в области микроэлектроники привели к новым концепциям в организации информационных служб. Благодаря быстрому развитию и широкому распространению персональных компьютеров (ПК), которые по стоимости эквивалентны терминалам больших и мини-ЭВМ, а по возможностям соответствуют ЭВМ третьего поколения, информационно-вычислительные ресурсы приближаются к рабочим местам менеджеров, бухгалтеров, плановиков, администраторов, инженеров и других категорий работников. На этой основе с середины 80-х годов наметилась тенденция развития информационно-вычислительной техники в виде создания локальных вычислительных сетей (ЛВС) различного назначения, самыми распространенными среди которых стали ЛВС коммерческого назначения.

В условиях рыночной экономики информация выступает как один из важнейших товаров. Успех коммерческой и предпринимательской деятельности связан с муниципальными, банковскими, биржевыми информационными системами, информатизацией оптовой и розничной торговли, торговых домов, служб управления трудом и занятостью, созданием банка данных рынка товаров и услуг, развитием центров справочной и аналитико-прогнозной котировочной информации, электронной почты, электронного обмена данными и др. Как правило, работа этих систем базируется на локальных вычислительных сетях различной архитектуры или их объединениях, получивших название корпоративных сетей.

Компьютерные сети применяются для обработки текстов, внешних баз данных, предназначены для машинной графики, выполнения числовых расчетов, являются информационными системами в управлении, планировании, учете, проектировании и др. [52, 60].

Широкая и постоянно увеличивающаяся номенклатура ЛВС, сетевые программные продукты и технологии возлагают на потенциального пользователя сложную задачу выбора нужной системы из массы 6 существующих. Поэтому в настоящее время очень остро стоит вопрос о создании инструментария, который может помочь им в этом выборе, осуществить построение модели проектируемой сети.

Именно решению данной проблемы посвящена предлагаемая диссертационная работа.

Актуальность работы. За короткий период сетевая индустрия прошла достаточно большой путь. Совсем недавно у компаний, стремящихся автоматизировать свою деятельность, было всего два варианта выбора: применять относительно дешевые автономно работающие персональные компьютеры либо достаточно дорогие мини-ЭВМ, большие и суперЭВМ, к которым подключать терминалы и коллективно использовать ресурсы центральной машины [8, 47]. По мере того как персональные компьютеры стали внедряться буквально во все сферы человеческой деятельности, проблема коллективного использования информации и обмена данными становилась все более актуальной [3]. Новейшие достижения в области микроэлектроники привели к новым концепциям в организации информационных служб. На этой основе с 80-х годов наметилась такая тенденция развития информационно-вычислительной техники как создание локальных вычислительных сетей (ЛВС) самого различного назначения.

Широкая и постоянно увеличивающаяся номенклатура ЛВС [51], сетевые программные продукты [22, 43, 53] и технологии [28] возлагают на потенциального пользователя сложную задачу выбора нужной системы из массы существующих. Поэтому в настоящее время очень остро стоит вопрос о создании инструментария, который может помочь им в этом выборе, осуществить построение модели проектируемой сети. Решению именно этой задачи и посвящена диссертация.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности использования компьютерных сетей, сокращение сроков и затрат при проектировании ЛВС, разработка подсистемы для создания 7 имитационных моделей, необходимых для решения задач анализа и проверки работоспособности ЛВС.

Предметом защиты являются основные научные положения, методики, математические модели, позволяющие эффективно и в сжатые сроки проводить анализ работоспособности ЛВС, выявлять их «узкие» места, добиваться улучшения функционирования.

Достижение поставленной цели базируется на решении следующих задач:

• исследование современного состояния ЛВС, методов их проектирования и анализа работоспособности;

• формирование требование к моделям ЛВС;

• разработка многоуровневой имитационной модели ЛВС, в соответствии с требованиями Международной Организации по Стандартам (081);

• формирование требований к имитационным моделям и разработка моделей объектов проектирования (компонентов ЛВС) для последующей компоновки их в исследуемую схему;

• выбор универсальных и специализированных средств программного и технического обеспечения, в том числе инструментальных и сервисных, что позволяет значительно сократить сроки проектированяи ЛВС и повысить эффективность ее работы;

• разработка адаптивного интерфейса подсистемы имитационного моделирования.

Методы исследования. В работе использованы принципы системного анализа, теории исследования операций, аппарат теории вероятностей и математической статистики, теории множеств, элементы теории принятия решений, методы имитационного моделирования.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в решении научной проблемы автоматизации процесса оценки работоспособности вычислительных сетей с использованием методов имитационного моделирования. 8

В результате проведенных исследований были получены следующие новые научные результаты:

• Поставлена и решена задача оценки работоспособности ЛВС на этапе проектирования как задача координации двухуровневой системы пользователь-сеть.

• Предложена методика оценки работоспособности проектируемых и функционирующих ЛВС на основе экспертных оценок и средств ИМ.

• Построено информационное представление объектов сети в базе данных моделей объектов.

• Разработаны алгоритмы и программные средства имитационного моделирования ЛВС.

Практическая значимость полученных результатов. Результаты проведенных научных исследований были использованы при создании подсистемы имитационного моделирования для оценки работоспособности ЛВС на этапе проектирования.

Применение на практике подсистемы ИМ и методики оценки позволяют рационально спроектировать ЛВС и оценить ее работоспособность, опираясь на результаты моделирования.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в госбюджетных научно-исследовательских работах «Информационная система «Кафедра»» [20], «Анализ информационно-вычислительных систем» [19], «Перспективные компьютерные технологии в обучении» [21].

Использование теоретических и практических результатов, полученных в диссертационной работе на предприятиях МПО «Манометр» и ЗАО «Компания «ИнтерТраст» позволило провести оценки возможных вариантов топологий вычислительных сетей, а затем повысить эффективность их работы.

Проведенные в ООО «Валга» модельные эксперименты позволили произвести анализ архитектуры ЛВС и внести в нее изменения, 9 направленные на повышение качества работы сети, на этапе ее проектирования.

Предложенная в диссертации подсистема имитационного моделирования и методика оценки работоспособности ЛВС используются в учебном процессе МГИЭМ.

Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, семинарах и совещаниях: Всесоюзная студенческая научно-техническая конференция «Автоматизация проектирования и конструирования в машиностроении», секция «Математическое и программное обеспечение САПР» (Москва, 1988) [15], Семинар МДНТП «Программное обеспечение ПЭВМ в компьютеризации» (Москва, 1990) [13], Российская конференция «Социально-экономические проблемы управления производством, создание программных технологий, конструкций и систем в условиях рынка» (Калуга, 1995) [16], Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ, секция «Информационные технологии» (Москва, 1999, 2000).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ и 3 научно-технических отчета.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

В первой главе рассматриваются вопросы функционирования сетей и эталонная модель функционирования открытых систем, анализируются существующие стандарты ЛВС и методы анализа их работоспособности. Также определяется общая задача оценки работоспособности и пути ее решения.

Во второй главе решаются вопросы представления модели сети для решения задачи анализа работоспособности, показывается необходимость этапа диагностики, рассматривается сведение этой задачи к задаче

10 координации, общая задача сводится к формальной задаче координации двухуровневой системы пользователь-сеть, определяются базовые элементы сети. Также вводятся основные понятия имитационного моделирования и определяется подход к построению имитационной модели сети в виде АМПС.

В третьей главе рассматриваются вопросы практического применения предложенного подхода для построения подсистемы имитационного моделирования для проектирования и оценки работоспособности ЛВС, определяются требования, разрабатывается функциональная схема подсистемы, проводится классификация и анализ объектов сетей, и их представление в базе моделей, решаются вопросы взаимосвязи протоколов и объектов сети при построении ее имитационной модели.

В четвертой главе решается задача разработки подсистемы имитационного моделирования для оценки работоспособности ЛВС, определяются требования к аппаратным средствам и программной реализации подсистемы, рассматриваются построение примеры построения модели и практического применения разработанной подсистемы.

11

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе в соответствии с поставленной задачей, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Анализ существующих средств поддержки исследований ЛВС показал, что они являются достаточно дорогостоящими и малодоступными, что ограничивает их распространение и применение. Их применение ограничено также тем, что они позволяют анализировать только существующие системы, так как являются устройствами подключаемыми непосредственно к ЛВС. Предложен подход с применением средств имитационного моделирования, позволяющий производить оценку проектируемых ЛВС, при этом снизить время и затраты на их разработку.

2. Поставлена и решена задача оценки работоспособности ЛВС на этапе проектирования как задача координации двухуровневой системы пользователь-сеть. Сформулировано условие, когда данную задачу необходимо решать как задачу диагностики.

3. Предложена методика оценки работоспособности проектируемых и функционирующих ЛВС на основе экспертных оценок и средств ИМ.

4. По результатам анализа объектов сети и принципов их функционирования, построено информационное представление в базе данных моделей объектов, что позволяет упростить процесс генерации модели.

5. Разработаны алгоритмы и программные средства имитационного моделирования ЛВС на основе АМПС.

117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Азаров С.С., Шемшур A.B. Моделирование непрерывных процессов и дискретных систем с использованием пакета GASP -1../ ИК АН УССР - Киев: 1979. 36 с.

2. Андрианов А.Н, Бычков С.П., Хорошилов А.И. Программирование на языке симула-67. М.: Наука, 1985. 288 с.

3. Аппак М.А. Автоматизированные рабочие места на основе персональных ЭВМ. М.: Радио и связь, 1989. 175 с.

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

5. Брейер Д. Автоматизация проектирования. Моделирование и базы данных. -М.: Мир, 1981. 463 с.

6. Бусленко Н.П. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1977. 389 с.

7. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978.400 с.

8. Васильев Г.П., Егоров Г.А., Щербина H.H. Программное обеспечение сетей СМ ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1983. 87 с.

9. Вирт Н. Алгоритмы и структуры данных. / Пер. с англ. М.: Мир. 1989.360 с.

10. Ю.Гаврилова Т.А., Червинская K.P. Извлечение и структурирование знаний для экспертных систем М.: Радио и связь, 1992. 200 с.

11. П.Гулд X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике. / Пер. с англ. -M.: Мир. 1990. т.1- 352 е., т.2- 400 с.

12. Давыдов C.B., Солодовников И.В., Иванов М.М. Организация интеллектуальных систем моделирования // В сборнике «Искусственный интеллект в автоматизированном управлении ТП». ВИИиЭ, Москва, 1989. 5 с.118

13. Давыдов C.B., Солодовников И.В., Преснякова Г.О. Применение ППЭВМ для контроля и управления технологическим процессом // Программное обеспечение ПЭВМ в компьютеризации, М., МДНТП, 1990. 6 с.

14. Давыдов C.B., Солодовников И.В., Преснякова Г.О. Разработка системы контроля и управления технологическими процессами на основе информационного подхода» // «Известия высших учебных заведений», Приборостроение, том XXXIV, №7, Ленинград, 1991. 6 с.

15. Дейт К. Введение в системы баз данных/ Пер. с англ. -М.: Наука. 1980. 463 с.

16. Зайцева Л.В., Солодовников И.В., Давыдов C.B., Карпенко К.Ф. и др. "Анализ информационно-вычислительных систем" Аннотированный отчет 1.1.95-31.12.95 регистрационный номер 01960009821, 1996. 15 с.119

17. Зайцева JI.B., Солодовников И.В., Давыдов C.B., Карпенко К.Ф. и др. "Информационная система "Кафедра" Научно-технический отчет, 1.1.94 -31.12.95 регистрационный номер 01960009824, 1996. 60 с.

18. Зайцева Л.В., Солодовников И.В., Давыдов C.B. и др. "Перспективные компьютерные технологии в обучении" Научно-технический отчет 1.1.96-31.12.96 регистрационный номер 01970007790, 1996.60 с.

19. Келли Дж. П. Линдберг руководство администратора Novell NetWare 5 для профессионалов/ Пер. с англ. СПб.: Питер. 2000. 496 с.

20. Киндлер Е. Языки моделирования. / Пер. с чеш. М.: Энергоатомиздат 1985. 288 с.

21. Корн Т., Корн Г. Справочник по математике для инженеров и научных работников. -М.: Наука, 1974. 831 с.

22. Локальные вычислительные сети, справочник, том 1, под ред. Назарова C.B. М.: Финансы и статистика, 1994. 206 с.

23. Лоренс Б. Novell NetWare 4.1 в подлиннике / Пер. с англ. СПб.: BHV. 1996. 720 с.

24. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ М.: Радио и связь, 1988. 232 с.

25. Максименков A.B., Селезнев М.Л. Основы проектирования информационно-вычислительных систем и сетей ЭВМ. -М.: Радио и связь, 1991. 320 с.

26. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. / Пер. с англ. М.: Мир 1973. 344 с.

27. Науманн Ш., Вер X. Компьютерная сеть. Проектирование, создание, обслуживание. / Пер. с нем. М.: ДМК 2000. 336 с.

28. Нессер Д. Дж. Оптимизация и поиск неисправностей в сетях. / Пер. с англ. Киев: «Диалектика» 1996. 372 с.120

29. Норенков И.П. Маничев В.Б. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры: Учеб пособие для ВУЗов. М. Высшая школа, 1983. 272с.

30. Ньюэлл М, Эванс Д. Моделирование с помощью ЭВМ: в сборнике Системы автоматизированного проектирования / под ред. Дж. Аллана / пер. с англ. -М.: Наука. 1985. с.252-254.

31. Оглтри Т. Модернизация и ремонт сетей, 2-е изд. / пер. с англ. -М.: Изд. Дом «Вильяме», 2000. 928 с.

32. Полляк Ю. Г. Вероятностное моделирование на электронных вычислительных машинах. — М.: Сов. радио, 1971. 399 с.

33. Пол И. Объектно-ориентированное программирование с использованием С++/ Пер. с англ. -К.: НИПФ «ДиаСофт Лтд», 1995. 480с.

34. Пранявичюс Г. Модели и методы исследования вычислительных систем. Вильнюс: Мокслас, 1982. 227 с.

35. Прицкер А. Введение в имитационное моделирование и язык СЛАМ II. / Пер. с англ. М.: Мир. 1987. 646 с.

36. Программные средства моделирования непрерывно-дискретных систем / Глушков В.М., Гусев В.В., Марьянович Т.П., Сахнюк М.А. Киев: Наукова думка, 1975. 152 с.

37. Ресурсы Microsoft Windows NT Workstation 4.0/ Пер. с англ. -СПб.: BHV. 1998. 800 с.

38. Сван Т. Освоение Borland С++ 4.5. Практический курс. / Пер. с англ. К.: Диалектика 1996. 544 с.

39. Сван Т. Освоение Borland С++ 4.5. Энциклопедия функций. / Пер. с англ. К.: Диалектика 1996. 320 с.

40. Сетевые средства Windows NT / Пер. с англ. СПб.: BHV. 1996. 496 с.

41. Смит Дж. М. Математическое и цифровое моделирование для инженеров и исследователей. / Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1980. 271 с.121

42. Солодовников И. В. Языки, программное обеспечение и организация систем имитационного моделирования. М.: Машиностроение, 1982. 49 с.

43. Справочник по типовым программам моделирования/А. Г. Ивахненко, Ю. В. Коппа и др.; Под ред. А. Г. Ивахненко. Киев: Техника, 1980. 183 с.

44. Стогний А. А., Паньшин Б. И. Программное обеспечение управления вычислительным процессом в ВЦ и сетях ЭВМ. -Киев: Наукова думка, 1983. 305 с.

45. Тиори Т., Фрай Дж. Проектирование структур баз данных: в 2-х кн. / Пер. с англ. -М.: Мир. 1985 кн.1 287с., кн.2 - 320 с.

46. Ульман Дж. Основы систем баз данных / Пер. с англ. -М.: Финансы и статистика, 1983. 334 с.

47. Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем. /Пер. с англ. -М .Мир, 1981. 576 с.

48. Флинт Т.Д. Локальные вычислительные сети. -М.: Мир, 1986. 360 с.

49. Фролов A.B., Фролов Г.В. Сети компьютеров в вашем офисе -М.: «Диалог-МИФИ». 1995. 272с.

50. Ценк A. Novell NetWare 4.x/ Пер. с нем. К.: Торгово-издательское бюро BHV. 1996. 784 с.

51. Цикритзис Д., Лоховски Ф. Модели данных/ Пер. с англ. —М.: Финансы и статистика. 1985. 344 с.

52. Чери С., Готлоб Г., Танка Л. Логическое программирование и базы данных/ Пер. с англ. -М.: Мир. 1992. 352с.

53. Черненький В.М. Имитационное моделирование. М.: Высшая школа., 1990. 112 с.

54. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем. / Пер. с англ. -Искусство и наука. М.: Мир, 1978. 417 с.

55. Шилдт Г. Теория и практика С++/ Пер. с англ. СПб.: BHV. 1996. 416 с.122

56. Шрайбер Т. Дж. Моделирование на GPSS. / Пер. с англ. M Машиностроение, 1980. 592 с.

57. Якубайтис Э.А. Открытые информационные сети. М.: Радио и связь, 1991.208 с.

58. An introduction to the Seven-layer Model that is the Foundation of Global Multivendor Networking.- Hewlett-Packard: OSI Primer. -1988.- 32 p.

59. Callahan P., Bradley B. New Token Ring Versus Ethernet: Counterpoint// Data Communications. 1989. - Jan. - p. 127-134.

60. The Commitment to Open System and Open Systems Interconnection / Wang. UK KET. 1989. - 8 p.

61. Dahl O.-J. Discrete Event Simulation Languages, Oslo, Norsk Regnesentralen, 1966.

62. Data Communications Networks, Open System Interconnection (OSI) System Description Techniques, Volume VIII, Fascicle VIII.5, CCITT Red Book, CCITT Plenary Assembly, October 8-19, 1984 (Malaga-Torremolinos).

63. U.S. Government Open System Interconnection Profile (GOSIP)/ Version 1.0/ The U.S. Government OSI User's Committee. 1988. -69 p.

64. IBM Token Ring Network Architecture Reference, Document Sc30-3374-02.

65. Information Processing Systems Open System Interconnection -Basic Reference Model: International Standard 7498 - 1984. p. 1-40.

66. The Institute of Electrical and Electronic Engeneers, Inc., Token Ring Access Method and Physical Layer Specifications, IEEE STD 802.51989.

67. IEEE Standard (ANSI) 1992 Carrier Sense with Collision Detection (CSMA) Access Method and Physical Layer Specifications, Institute of Electrical Engineers, 1992.123

68. IEEE 802.3 (ANSI) Supplement to CSMA/CD, Supplement, Consideration for 10Mbps Baseband networks, Twisted Pair MAU, 10BASE-T: Institute of Electrical Engineers.

69. Lawor E.L., Levitt K.N., Turres I. Module Clustering to Minimize Delay in Digital Network / IEEE Trans. v.EC - 18. - N1 - p.445-451.

70. McGrum W. International Standarts for Data Communications// Proc. 7-th International Conference Computer Communication/ Now World Inf. Soc.- Sydney, 1984- p. 554-559.

71. Roux E. OSI's Final Frontier: The Application layer// Data Communications. 1988. - Jan. - p. 137-145.

72. Southard R. Fiber Optics: a Winning Technology for LANs// Electronic. 1988. - № 3. - p. 111-114.

73. Wang B., Hutchison D. Protocol Testing Technicques // Computer Communications/ 1987/ - Oct. - p. 79-87.124