автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы управления построением, контролем и структуризацией сетевых информационных систем обучающих комплексов

ВВЕДЕНИЕ

1. Сетевые информационные системы в обучающих комплексах.

1.1 Телекоммуникационные информационные системы в высшем образовании.

1.2 Параметрический анализ структуры СИС ОК.

1.3 Информационный обмен в сетях ОК 25 Основные результаты

2. Методические основы построения сетевых информационных систем обучающих комплексов

2.1 Структурные решения при построении СИС ОК.

2.2 Структуризация СИС ОК с учетом временного режима создания и функционирования.

2.3 Имитационное моделирование СИС. 49 Основные результаты

3. Повышение структурной и функциональной устойчивости сетей обучающих комплексов.

3.1 Выбор критериев эффективности и надежности научных и образовательных сетей.

3.2 Управление маршрутизацией информационных потоков в корпоративных вычислительных сетях.

3.3 Организация системы мониторинга обучающих комплексов на основе СИС.

Основные результаты

Организационно-диагностическое обеспечение сетевых информационных систем университетского типа.

4.1 Диагностический мониторинг СИС.

4.2 Прогнозирование объемно-временных характеристик.

4.3 Автоматизированное построение сетевой информаци- . онной сети.

4.4 Телекоммуникации как интеграционный фактор обучающих комплексов в регионе.

Основные результаты

Анализ российской системы образования за последние годы указывает на тенденцию заметного структурного и методологического усложнения существующих образовательных моделей. Это связано с усилением воздействия научно-технического процесса на жизнедеятельность общества и, как следствие, резким увеличением массы желающих получить необходимую образовательную базу. Обеспечение всестороннего, качественного и актуального образования является сегодня важнейшей задачей, решать которую необходимо с равной эффективностью во всех регионах страны.

В этой связи центральным звеном научно-образовательной информационной среды являются телекоммуникации. Построение инфраструктуры компьютерных коммуникаций для науки и высшей школы является одной из приоритетных задач в любой из экономических развитых стран. Такая инфраструктура стимулирует опережающее развитие науки, технологии образования, что, в свою очередь, напрямую влияет на производственные сферы, экономику страны в целом.

В последние годы появилась острая необходимость в создании Национальной сети компьютерных телекоммуникаций для науки и высшей школы на базе уже созданных и активно развивающихся региональных компьютерных сетей, оказывающих услуги учреждениям науки и образования.

Прежде всего следует отметить, что процесс развития сетей протекает спонтанно в условиях быстро прогрессирующей динамики применения сетей в различных областях деятельности, что ставит в тесную зависимость экономическую эффективность этой области от качества работы сети, к которой предъявляются все более высокие требования. Спонтанность процесса стимулируется относительным удешевлением ^¿тевого оборудования, а появление новых узлов сети, в основном, связано с экономическими возможностями конкретной организации и не всегда согласуется со стратегией оптимального развития сети в целом.

По мере того, как все большая часть сферы деятельности организации опирается на сетевые технологии, возрастает ее зависимость от качества и надежности услуг ее корпоративной сети и внешних университетских и ака-демсетей. Критерии эффективности и надежности университетский и академических сетей определяются целями их функционирования, отличными от специфики коммерческих, фирменных или административно-ведомственных сетей, и должны быть сформированы с учетом их предназначения и на основе представлений обучающего комплекса (ОК) и научного коллектива, а также отдельного преподавателя и научного сотрудника о качестве и надежности предоставляемого им сервиса.

Возрастающие требования к безотказности сети и гарантированному качеству сетевых услуг должны с опережением учитываться при создании новых и модернизации существующих информационных сетей ОК любого масштаба - от региональной до локальной лабораторной сети - на всех уровнях сетевой иерархии - от предметной области до протоколов прикладного уровня.

Вместе с тем, проектирование сетей в настоящее время часто основывается на теории и методах, которые разрабатывались десятилетия назад при других социально-экономических условиях: высокая стоимость сетевого оборудования и малая, медленно изменяющаяся динамика нагрузки на сеть. Это обусловливало в этих методах ориентацию на приоритетность программно-аппаратной базы сети, а параметры информационных потоков рассматривались только как одни из видов ограничений.

Таким образом, область информационного обмен, включающая вопросы распределения информационных ресурсов сети и управления движением информационных потоков, оказывалась, в определенном смысле, вторичной и слабо связанной с выбираемой топологией и компонентами сети.

Следует также отметить, что практически все разработанные ранее методы синтеза межузловых соединений рассчитаны на построение новых сетей с прокладкой на каждом направлении независимой линии связи. Но своеб . временные сети в подавляющем большинстве организуются на базе уже существующих первичных сетей, из которых на условиях аренды заимствуются необходимые каналы. При этом основные три задачи проектирования сети: топологический синтез, маршрутизация трафика и управление потоком - решались относительно независимо одна от другой.

Подчеркнем, что постоянно растущие потребности прикладных средств в качестве обслуживания, представляемых информационными сетями, обеспечиваются за счет развития двух основных направлений в сетевых технологиях. Первые направления, это увеличение пропускной способности каналов связи. Вторым направлением является развитие алгоритмического и программного обеспечения, реализующего механизм доставки информационных потоков.

С учетом вышесказанного целью диссертационной работы является повышение эффективности сетевых информационных систем обучающих комплексов на основе использования методов управления построением систем, их контроля и оптимальной структуризации.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

1. Обосновать формальную структурную модель топологии сети и критерий оптимальности характеристик обслуживания сетевых информационных систем (СИС) обучающих комплексов с рассмотрением алгоритма оптимизации.

2. Рассмотреть многоэтапный (динамический) подход к построению СИС ОК на основе теории состояний и проверить его с помощью имитационного эксперимента.

3. Предложить решение вопросов оценки надежности и диагностирования состояния сети с созданием методики и алгоритма построения оптимальных маршрутов информационных потоков.

4. Разработать математическую модель региональной образовательной сети (РОС) с компонентами информационного и программного обеспечения СИС.

5. Предложить организацию процесса мониторинга (диагностирования) СИС с оценкой пропускной способности линии связи и динамики запросов, а также обеспечением инструментальной поддержки.

Методы исследования. Решение поставленных задач достигается путем применения общей теории систем, теории оптимизации, теории исследования операций и теории множеств, теории контроля и диагностирования, теории структурного анализа, методов имитационного моделирования, теории сетей и телекоммуникаций.

Научная новизна работы состоит в: структуризации СИС ОК с учетом временного режима создания и функционирования путем решения задачи оптимизации; рассмотрении развития динамики развития сети как последовательной смены состояний информационной архитектуры; оценке состояния сети для целей диагностирования на основе объединения активного и пассивного методов и алгоритмов маршрутизации; модели РОС (вариант СИС) на основе графовой модели с набором свойств - множественной взвешенности, пространственной привязки и динамической реструктуризации; в описании динамики запросов с помощью авторегрессивных прогнозирующих моделей.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается аргументированно поставленной задачей, конкретным обоснованием и анализом моделей, наглядностью интерпретаций формальных построений, а также результатами вычислительных и имитационных экспериментов, использующих методический и программный продукт формализованного описания исследуемых процессов и объектов.

Практическая ценность работы заключается в разработанных методах, методиках, алгоритмах и программах, позволяющих построить вариант университетской сети и на базе современных телекоммуникационных технологий обеспечить пользователю доступ к региональным и мировым информационным ресурсам.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научно-методической конференции, посвященной 190-летию транспортного образования (г. Санкт-Петербург, 1999г.); международной научно-технической конференции «ТРАНС-КОМ-2СЮ1» (г. Санкт-Петербург); кафедральных семинарах СПГУВК на тему «Диагностика и управление транспортными системами» (СПГУВК, 19982001г.);

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗЛЬТАТЫ.

1. Предложена организация процесса диагностирования (мониторинга) СИС - как процесса оценивания путем измерения характеристик рабочей нагрузки сети с помощью специальный устройств - анализаторов протокола позволяющих оценить работу сети в целом и, в том числе, всех компонентов технических и программных средств.

2. Рекомендовано суммарную пропускную способность линии связи между различными проектами оптимизировать по последующим показателям:

- уменьшение времени реакции,

- повышение эффективности сетевых приложений,

- полной реализации возможности аппарата.

3 Рекомендовано для описания динамики запросов клиентов, представленного в виде временного ряда, использовать стохастические модели скользящего среднего и авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего, которые могут решать задачу прогнозирования изменения процесса запросов

4. Предложено для обеспечения инструментальной поддержки процесса создания СИС в соответствии с внутренней логической структурой в системе проектирования выделить следующие функциональные модули:

- синтеза (статического и динамического);

- имитационного моделирования;

- статистического анализа и прогнозирования;

- информационно-справочной системы компонентов.

5. Предложен вариант проекта (общих принципов) построения и ш

ГАК

ДЕКАНАТ

БУХГАЛТЕРИЯ

УМУ

Баллы по 9-й

Результаты сессии недели

КАФЕДРА

Начало цикла обучения

Сессия

Контроль знаний

УСС

Картотека приказов

Перевод на следующий курс

Внести в приказ

Личные карточки успеваемости

Unspecified функционирования университетской сети в регионе, позволяющей на базе современных телекоммуникационных технологий обеспечить пользователям: возможность обмена информацией, совместную работу над общими проектами, интеграцию существующих ЛВС организаций в региональную сеть, доступ к региональным и мировым информационным ресурсам многопротокольной архитектуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения исследований получены следующие основные результаты:

1. Обоснована формальная модель структуры предметной области с тремя составляющими (аппаратной, информационной, потребительской), где аппаратная составляющая задает топологию сети и задает аппаратные характеристики, информационная составляющая описывает структуру и свойства сетевой системы информационных ресурсов, потребительская составляющая описывает динамику распределения объемов запросов клиентов ОК и накладываемые им ограничения. При этом предложено информационный обмен в сети рассматривать как процесс движения потоков по виртуальным каналам. Получены аналитические выражения для вычисления оценочной величины их пропускной способности

2. Обосновывается критерий оптимальности, как минимум затрат для достижения заданных характеристик обслуживания СИС при известных параметрах технических средств, зависимости их стоимости от производительности и при заданной системе информационных ресурсов. Причем объемно-временные характеристики информационных потоков удовлетворяют требованиям клиентов. Обобщенный алгоритм решения задачи оптимизации предоставляет собой комплекс алгоритмов: глобальной оптимизации структуры, оптимального размещения, а также поискового уточнения структуры.

3. Предлагается для многоэтапного построения СИС обучающих комплексов динамический подход, рассматривая сети как развивающиеся системы. Целью развития, при этом, считается достижение максимально полезного эффекта от сети как от обслуживающей системы. Динамика развития сети представляется последовательностью состояний информационной архитектуры, соответствующих каждому из этапов реализации проекта. С этой целью рассмотрен процесс перехода сети из текущего состояния в следующее, который задается на основе выбора направления из множества единичных векторов развития: тактическое планирование и стратегическое планирование.

4. Описана имитационная модель СИС, предложенная в работе с целью проверки рассмотренных алгоритмов, а также выработки механизмов корректировки реального создания сети. Причем моделируемая система относится к классу дискретно-стохастических систем и применяется алгоритм, в котором системное время передвигается по точкам свершения активных событий, т.е. используется асинхронный алгоритм со случайным шагом.

5. Показано, что вопросы оценки эффективности и надежности сетевых информационных систем обучающих комплексов могут решаться с учетом их способности обеспечить достаточный уровень качества сервиса для пользователей. Сформирован показатель, на основе которого можно получить общую характеристику качества работы конкретной сети. При этом изложено содержание методики диагностирования состояния сети и трасс передачи пакетов, основанная на сочетании известных способов активного и пассивного сбора информации, характеризующей различные параметры функционирования сети. Рекомендовано объединить оба метода (активный и пассивный) в одном диагностирующем анализаторе, что позволяет повысить функциональность анализатора при минимизации нагрузки на сеть зондирующими пакетами.

6. Предложена методика построения оптимальных маршрутов информационных потоков в сетевых информационных системах, обеспечивающая эффективное использование коммуникационных ресурсов университетских корпоративных вычислительных сетей. Эффективность методики достигается за счет реализации в ней нового подхода к решению задачи определения оптимального оптимальности того или иного маршрута. Для чего рассмотрен алгоритм внутренней динамической маршрутизации, увеличивающий функциональные возможности современных средств передачи данных, и характерный тем, что позволяет находить все доступные нециклические маршруты, соединяющие выбранный узел со всеми остальными узлами сети.

7. Предложена математическая модель региональной образовательной сети (РОС), как вариант СИС, на основе графовой модели с набором свойств: свойствам множественной взвешенности, свойство пространственный привязки, свойство динамической реструктуризации, преимуществом которой является возможность совместного использования геоинформационной обработки данных, математического аппарата теории графов и методов объектно-ориентированного проектирования. С учетом этого предложена последовательность этапов автоматизированного проектирования компонентов информационного и программного обеспечения СИС применительно к мониторингу РОС. Предлагаемая последовательность проектирования отличается эффективностью осуществления сложного процесса проекции предметной области в структуру физический баз данных.

8. Предложена организация процесса диагностирования (мониторинга) СИС - как процесса оценивания путем измерения характеристик рабочей нагрузки сети с помощью специальный устройств - анализаторов протокола позволяющих оценить работу сети в целом и, в том числе, всех компонентов технических и программных средств. При этом рекомендовано суммарную пропускную способность линии связи между различными проектами оптимизировать по последующим показателям:

- уменьшение времени реакции,

- повышение эффективности сетевых приложений,

- полной реализации возможности аппаратных и программных платформ и линий связи и т.п.

9. Рекомендовано для описания динамики запросов клиентов, представленного в виде временного ряда, использовать стохастические модели скользящего среднего и авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего, которые могут решать задачу прогнозирования изменения процесса запросов. А затем предложено для обеспечения инструментальной поддержки процесса создания СИ С в соответствии с внутренней логической структурой в системе проектирования выделить следующие функциональные модули:

- синтеза (статического и динамического);

- имитационного моделирования;

- статистического анализа и прогнозирования;

- информационно-справочной системы компонентов.

10. Предложен вариант проекта (общих принципов) построения и функционирования университетской сети в регионе, позволяющей на базе современных телекоммуникационных технологий обеспечить пользователям: возможность обмена информацией, совместную работу над общими проектами, интеграцию существующих ЛВС организаций в региональную сеть, доступ к региональным и мировым информационным ресурсам многопротокольной архитектуры.

1. Громов Г.Р. Национальные информационные ресурсы: проблемы промышленной эксплуатации.-М.: Наука, 1985.-237с.

2. Костюк В.Н. Информация как социальный и экономических ресурс.М.: Магистр, 1997-48с.

3. Проблемы информатизации высшей школы. Метаинформация координация - интеграция. Бюллетень 7-8' 1997.

4. Bandermann M. Information technology in Europe: The EC Communication's View // European Information Technology Observatory 1994.-Mainz: Eggebrecht-Press KG. 1994.-P.10-15.

5. Технологии электронных коммуникаций. T12: Мировой рынок информационных услуг: деловая и коммерческая информация М.: 1993.

6. Технологии электронных коммуникаций. Т12: Мировой рынок информационных услуг: основные характеристики, цены и методы маркетинга.М.: 1993.

7. Глебовский А.Ю., Заборовкий B.C., Александров В.К. Европейские академические сети на пути интеграции в единое информационное пространство (Введение в проблематику и справочное пособие). Под ред. Кораблева В.В. СПб.: СПГТУ, 1993г. 90с.

8. Введение в информационный бизнес / О.В. Голосова, С.А. Охрименко, А.В. Хорошилов М.: Финансы и статистика, 1996.-240с.

9. Морозов В.П., Тихомиров В.П., Хрусталев Е.Ю. Гипертексты в экономике. Информационная технология моделирования. -М.: Финансы и статистика, 1997.-256с.

10. Валиёв Т.А., Нишанбаев Т.Н., Лосский И.О. Оптимизация информационно-вычислительных систем методами имитационного моделирования. Ташкент, ФАН, 1991.-132с.

11. Гузаиров М.Б., Хисамутдинов P.A. Разработка модели академической региональной информационной сети.-М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 1997-37с.

12. Субетто А.И. Системологические основы образовательных систем.-М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 1992. Tl., Т2.

13. Субетто А.И. Системологические основы образовательных систем.-М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 1992. Tl., Т2.

14. Лашт Д.Г. Влияние качества управления транспортной средой на функционирование интеллектуальных систем технологического мониторинга. Тезисы докладов НТК «Диагностика, информатика и метрология 95». Санкт-Петербург, 1995.

15. Андреев A.A. Обзор телекоммуникационных сетей и систем в образовании // www.informatika.ru/text/inftech/andr/.

16. Проблемы информатизации высшей школы. Дистанционное образование. Бюллетень 34995.

17. Хаусли Т. Системы передачи и телеобработки данных. Пер. с англ. М. Радио и связь, 1994.-456с.

18. Боккер П. Передача данных (Техника связи в системах телеобработки данных). Т2. Устройства и системы. М. Радио и связь, 1981.-256с.

19. Курмышев Н.В., Закамулин В.И., Постельник Д.Я. и др. Мультимедиа гиперсегментная информационно-справочная система «Господин Великий Новгород». Регистрация ПС в ЦИФ ГосФАП №50950000009 РосКЦ НТО ФАП №205.9000.430, Информрегистр: №0229600007, 1995.

20. Курмышев Н.В., Постельник Д.Я., Фронкин A.B. и др. Мультимедиа гиперсегментная информационно-справочная система «УСЛЫШИ ГЛАС МОЙ.». Регистация ПС в ЦИФ РосКЦ ИТО ФАП №205.7100.509, Информрегистр: №0229600008,1996.

21. Merali Z., Blamire R. and others. Highways for learning. An introduction to the Internet for schools and colleges. National council for educational technology, Milburn Hill Road Science Park, NCET, 1995.-100p.

22. Курмышев H.B., Постельник Д.Я. «Язык описания сценария в автоматизированных системах обучения». Тез. доклада. Международная конференция «Математика: альтернативные системы образования и обучения». Новгород, 19-25 июня 1994г.

23. Курмышев Н.В., Постельник Д.Я., Зайцев Е.В. Инструментальная система создания автоматизированных обучающих сред «ИНФОТЕРРА». Регистрация ПС в ЦИФ ГосФАП №50940000082 РосКЦ ИТО ФАП №205.7100ю416, 1994.

24. Гавриков А.Л., Семчук H.H., Воликов А.Г., Постельник Д.Я. CD-ROM «Ботаника». Тез. доклада. Вторая всероссийскаяконференция «Геоинформатика и образование». Мрсква, 25-26 марта 1998г.

25. Постельник Д.Я., Фронкин А.В. «Реализация гиперсегментных систем виртуальной реальности с использованием видеоматериала». Тез докл. Четвертая международная школа-семинар «Новые информационные технологии». Крым, май 1996г.

26. Курмышев Н.В., Постельник Д.Я. «Принципы создания и использования информационно-справочных систем на базе мультимедиа технологий». Тез доклада. Международная конференция «Открытые системы путь к новому миру». Москва, 17-20 апреля 1995г.

27. Информационные системы в экономике/Под ред. проф. В.В. Дика.-М.: Финансы и статистика, 1996.-272с.

28. Курмышев Н.В., Постельник Д.Я. «Технология межсетевого взаимодействия». Серия «Информационные технологии и системы». Выпуск 2. НовГУ ОЦНИТ, 1995.

29. Schwarts Mischa. Telecommunication networks. Protocols, modeling and analysis. Addison-Wesley publishing company, 1987.-749p.

30. Тимоти Паркер. Освой самостоятельно TCP/IP. Пер. с англ,-М.: Бином, 1997-445с.

31. Эд Крол. Все об Internet. Пер. с англ.-Киев, BHV, 1995-591с.

32. Курмышев Н.В., Постельник Д.Я. «Описание информационных ресурсов на языке HTML в гиперсреде WWW». Серия «Информационные технологии и системы». Выпуск 1. НовГУ ОЦНИТ, 1995.

33. Телематика-97. Всероссийская научно-методическая конференция. Сб. тез. докл. Санкт-Петербург,

34. Республиканский научный цент компьютерных телекоммуникационных сетей высшей школы.-1996г.-150с.

35. Мизин И.А., Богатырев В.А., Кулешов А.П. сети коммутации пакетов.-М.: Радио и связь, 1986.-406с.

36. Лазарев В.Г. Интеллектуальные цифровые сети.-М. Финансы и статистика, 1996.-224с.

37. Построение сетей ЭВМ: Пер. с япон./М. Като, Иимура Д., Токоро М„ Тома Е.-М.: Мир, 1998.-307с.

38. Грунцев А.Н. Обзор международных систем доставки документе в//Москва,// wmv.informatika.m/text/inftech/gruntsev/

39. Сигалов A. Internet в России: сетевая инфраструктура и информационные ресурсы // Санкт-Петербург, 1997, www, citforum. ru/win/internet/iinet97/5. shtml.

40. Проблема информатизации высшей школы. Метаинформация-координация-интеграция. Бюллетень 4'1995.

41. Проблемы информатизации высшей школы. Метаинформация координация - интеграция. Бюллетень 7-8'1997.

42. Проблемы информатизации высшей школы. Метаинформация- координация интеграция. Бюллетень 4'1997.

43. Селезнева H.A. Оценка качества высшего образования. // Квалиметрия человека и высшего образования: методология и практика. Москва, Исследовательский центр по проблемам управления качеством подготовки специалистов, 1992-76с.

44. Региональные системы управления качеством высшего образования: актуальность, принципы и задачи формирования.-М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов.

45. Проблемы информатизации высшей школы. Метаинформация- координация интеграция. Бюллетень 7-8'1997.

46. Проблемы информатизации высшей школы. Метаинформация- координация интеграция. Бюллетень 4'1995.

47. Введение в информационный бизнес / О.В. Голосова, С.А. Охрименко, A.B. Хорошилов М.: Финансы и статистика, 1996.-240с.

48. Журнал «Технологии электронных коммуникаций». Т43: М.: 1993.'

49. Янбых Г.Ф., Эттингер Б.Я. Методы анализа и синтеза сетей ЭВМ. Ленинград, Энергия, 1980.-95с.

50. ЭВМ и вычислительные сети. / В.Н. Криушина.-М.: Статистика, 1980.-372с.

51. Зелигер Н.Б., Чугреев О.С., Яновский Г.Г. Проектирование сетей и систем передачи дискретных сообщений. М. Радио и связь, 1984.-176с.

52. Балакаева Г.Т. Модели и методы решения дискретных задач распределения ресурсов вычислительной сети. -Алма-Ата, Казах, полит, инт, 1990. (дис. канд. техн. наук).

53. Вычислительные сети и вычислительные протоколы: Пер. с англ. /Девис Д., Барбер Д., Прайс У., Соломонидес С.-М. Мир, 1982.562с.

54. Янбых Г.Ф., Столяров Б.А. Оптимизация информаицонно-вычислительных сетей.-М.: Радио и связь, 1987.-231с.

55. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ: В 2-х ч. Ч. I. Пер. с англ.-М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992.-336с.

56. Захаров Г.П. Методы исследования сетей передачи данных.-М.: Радио и связь, 1982.-208с.

57. Верма П. Сети связи ЭВМ. Оценка эффективности фунцкионирования. Структурный анализ.-М.: Радио и связь, 1992.-113с.

58. Агаян A.A. Автоматизация проектирования вычислительный сетей: оптимизационные задачи и методы поиска решений. Препринт. Научный совет «Кибернетика» АН СССР.-М. с.70.

59. Литвинов В.В. Математическое обеспечение проектирования вычислительных систем и сетей,- Киев, Техника, 1982.-176с.64