автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Модели и методы структурного синтеза центров сопряжения корпоративных информационных сетей

На правах рукописи

□03056774

Татарникова Татьяна Михайловна

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА ЦЕНТРОВ СОПРЯЖЕНИЯ КОРПОРАТИВНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ

Специальности: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации (технические системы) 05.13.13 - Телекоммуникационные системы и компьютерные сети

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2007

003056774

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Научный консультант -

доктор технических наук, профессор Кутузов О.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Осипов Л. А. доктор технических наук, профессор Водяхо А.И. доктор технических наук, профессор Сикарев А. А.

Ведущая организация - ФГУП «НИИ «Рубин»

Защита диссертации состоится «

С?/» Л1&1_ 2007 г. в

час. На заседании диссертационного совета Д 212.238.07 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан «

й/

» ЛЛ&^ЗТх&у— 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Яшин А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Научно-технический прогресс привел к появлению нового класса крупномасштабных систем, корпораций. К ним относятся производственные комплексы, системы коммунальных служб, транспорта, связи, экономические и экологические системы регионов, и другие.

Корпорация характеризуется сложной многопрофильной структурой, объединяющей предприятия, отделения и административные офисы, расположенные на достаточном удалении друг от друга, но работающие под единым управлением и решающие общие задачи. Успешная работа многих корпораций сегодня напрямую зависит от объединяющих коммуникаций. Корпоративная сеть становится важнейшим ресурсом предприятия.

Задача развертывания корпоративной сети имеет свои проблемы. В основном они связаны с организацией эффективного взаимодействия отдельных неоднородных частей распределенной сети. Неоднородность включает несколько аспектов: в разных сетях - разные длины пакетов, скорости передачи данных, архитектура, топология, программное обеспечение. Все функции по объединению и согласованшо выполняются в сетевых центрах разного уровня и назначения - мостах, коммутаторах, маршрутизаторах и шлюзах -обеспечивающих сопряжение и необходимое преобразование в терминах, как аппаратуры, так и программного обеспечения.

Центры сопряжения (ЦС) реализуются в виде многопроцессорных мультипрограммных систем с определенной конфигурацией. Выполняя основную функцию взаимодействия нескольких неоднородных сетей, ЦС обрабатывают большие потоки информации, что приводит к необходимости распараллеливания во времени функций приема, передачи и обработки поступающих на его вход сообщений. Классическим путем создания подобных систем является использование процессоров с типичными архитектурами 1386, PowerPC, ARM, RISC и других. Такой подход обладает рядом недостатков: производительность центров сопряжения, при выполнении фиксированных задач, используется не полностью, а лишь на 10-20%, жесткая привязка архитектуры к функциональности ЦС не позволяет гибко управлять ресурсами и распределять нагрузку, моральное устаревание элементной базы приводит к необходимости полной замены ЦС.

По вопросам оценки эффективности использования коммутационных ресурсов и вероятностно-временных характеристик сетей и их отдельных компонент опубликовано большое число работ отечественных авторов: A.M. Александрова, В.А. Богатырева, A.B. Бутрименко, J1.E. Варакина, В.М. Вишневского, A.A. Гоголя, В.А. Ершова, Г.П. Захарова, М.О. Колбанёва, А.П. Кулешова, О.И. Кутузова, В.Г. Лазарева, В.В. Лохмотко, Н.И. Лычагина, И.А. Мизина, Б.Я. Советова, О.С. Чугреева, С.А. Яковлева, А.И. Яшина. Работы этих и ряда других ученых составляют теоретическую базу для анализа информационных сетей и их элементов. Однако широкий круг вопросов, связанных с согласованием неоднородностей при объединении различных сетей, остаются открытыми.

Появившиеся на сегодняшний день технологии, инструментальная и элементная база определили альтернативный подход к построению сетевого оборудования. Данный подход базируется на идеях универсальности, аппаратной конфигурируемости и динамической настройки структуры ЦС в зависимости от решаемых задач и внешних условий. Это абсолютно новые решения, которые позволяют повысить отдачу от уже сделанных инвестиций и способные стать ключом к оптимизации и сокращению затрат на приобретение нового оборудования.

Таким образом, при построении корпоративной сети, а также на этапах настройки, доводки и модернизации сети комплексирование готовых аппаратных решений центров сопряжения требует методики, обеспечивающей направленное формирование облика ЦС с заданным набором свойств. Однако отсутствие методов и моделей оценивания характеристик ЦС на соответствие требуемому качеству обслуживания при заданном либо прогнозируемом трафике не позволяет осуществлять структурный синтез центров сопряжения, удовлетворяющих определенным свойствам.

Указанные обстоятельства актуализируют разработку принципов, методов и моделей взаимодействия неоднородных сетей, которым посвящено данное диссертационное исследование. Решение названной проблемы имеет важное хозяйственное значение, поскольку отсутствие решений в данном направлении до сих пор сдерживает строительство корпоративных сетей и не позволяет обеспечить должное качество обслуживания.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методологии синтеза и моделирования центров сопряжения неоднородных информационных сетей с заданным набором свойств.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать и разработать принципы построения центров сопряжения, как систем, обеспечивающих взаимодействие корпоративных информационных сетей.

2. Разработать системную модель центра сопряжения, отражающую уровни и страты межсетевого взаимодействия

3. Разработать комплекс моделей процессов согласования, реализуемых в центрах сопряжения корпоративных информационных сетей.

4. Предложить систему методов и алгоритмов аналитического и имитационного моделирования функционирования центров сопряжения корпоративных информационных сетей.

5. Разработать методику структурного синтеза центра сопряжения корпоративных информационных сетей и получить экспериментальные соотношения, составляющие основу процедур выбора структуры ЦС

Объектом исследования являются центры сопряжения неоднородных сетей разных архитектурных решений и функциональных возможностей, выполненные в виде многопроцессорных вычислительных комплексов.

Предметом исследования является аналитическое и имитационное моделирование процессов функционирования центров сопряжения неоднородных

сетей.

Методы исследования. Решение сформулированной в диссертационной работе проблемы анализа вероятностно-временных характеристик и методики синтеза структуры центра сопряжения неоднородных сетей, достаточной для обеспечения необходимого качества обслуживания, базируется на методах системного анализа, теории вероятности, случайных процессов и математической статистики, теории алгоритмов, сетей массового обслуживания, линейной алгебре, методах численного анализа, теории оптимизации, исследования операций и имитационного моделирования.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Принципы построения центров сопряжения как систем, обеспечивающих взаимодействие корпоративных информационных сетей.

2. Системная модель центра сопряжения, отражающая уровни и страты межсетевого взаимодействия.

3. Комплекс моделей процессов согласования, реализуемых в центрах сопряжения корпоративных информационных сетей.

4. Система методов и алгоритмов аналитического и имитационного моделирования функционирования центров сопряжения корпоративных информационных сетей.

5. Методика структурного синтеза центра сопряжения корпоративных информационных сетей и экспериментальные соотношения, составляющие основу процедур выбора структуры ЦС.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в разработке основ прикладной теории синтеза центров сопряжения корпоративных информационных сетей, базирующейся на аналитическом, аналитико-имитационном и имитационном моделировании и обеспечивающая нахождение структур центров сопряжения корпоративных информационных сетей, удовлетворяющих заданным наборам свойств.

Новые научные результаты:

1. Принципы построения центров сопряжения корпоративных информационных сетей отличаются группировкой и порядком их применения для формирования универсальной среды синтеза ЦС, что позволяет получать решения с заданными свойствами на многообразии вариантов сопряжения корпоративных информационных сетей.

2. Системная модель центра сопряжения корпоративных информационных сетей отличается выделением минимально полного набора структурных элементов, присущих всему многообразию вариантов ЦС, что позволяет обеспечить универсальность данной модели в различных задачах синтеза структуры ЦС.

3. Комплекс моделей процессов согласования, реализуемых в центрах сопряжения, отличается учетом существующих стратегий межсетевого взаимодействия, что дает возможность оценить необходимые требования к характеристикам согласования независимо от архитектуры и функциональных возможностей ЦС.

4. Система методов и алгоритмов аналитического и имитационного

моделирования функционирования центров сопряжения отличается возможностью формирования пространства вероятностно-временных характеристик ЦС при различных уровнях сложности протекающих в них процессов, что позволяет исследовать варианты системотехнических решений в широком диапазоне изменения неопределенностей исходной информации о взаимодействующих сетях.

5. Методика структурного синтеза центра сопряжения корпоративных информационных сетей отличается комбинированным применением этапов автоматической генерации множества альтернативных структур ЦС на основе генетического алгоритма и «ручного» выбора предпочтительного варианта, что позволяет осуществлять многокритериальный синтез структуры ЦС в условиях близких к реальным.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в полученных расчетных выражениях, алгоритмах и методиках, реализующих синтез структур центров сопряжения и оценивание их функциональных характеристик. Предлагаемые аналитические, аналитико-! имитационные и имитационные модели и методы могут применяться для решения конкретных задач исследования согласований неоднородных сетей и проектирования корпоративных информационных систем, а также при выборе сетевого оборудования, предназначенного для учебных заведений, государственных и коммерческих организаций.

Реализация и внедрение результатов работы.

Теоретический базис разработанных методов и моделей по оценке ВВХ и структурному синтезу центров сопряжения неоднородных сетей основан на исследованиях, результаты которых обобщены в монографии, учебных пособиях, научных статьях и в докладах на российских и международных конференциях. Часть разработанного программного обеспечения зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию (имеется 6 свидетельств об отраслевой регистрации разработок).

Тематика научных исследований, выполненных в диссертации связана с планами кафедры «Информационные управляющие системы» Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций (СПбГУТ) и с выполнявшимися в СПбГУТ в 2005-2006 гг. научно-исследовательскими работами: «Сравнительный анализ решений по созданию инфраструктуры организации доступа к услугам операторов зоновой междугородной и международной связи в условиях демонополизации рынка дальней связи на сетях ОАО «Северо-Западный Телеком» (Гос per. № 071-06-054), «Разработка корпоративных стандартов и внутрифирменной документации, ориентированной на организацию производственного процесса при внедрении новых услуг связи на базе оборудования» (Гос per. № 017-06-054).

: ' : Полученные в диссертации результаты нашли практическое применение на следующих предприятиях:

ФГУП НИИ «Масштаб», ФГУП «НПО «Импульс» и Ленинградском Военном округе при проектировании систем связи специального назначения;

Ленинградском отраслевом научно-исследовательском институте связи при проведении работ по разработке основополагающих документов развития отрасли связи «Концепция программы развития связи и информатизации Российской Федерации до 2015 г.»;

ОАО «Северо-Западный Телеком» при разработке «Концепции технического развития ОАО «Северо-Западный Телеком» на период 2003-2007 гг.»;

ОАО «Мегафон» и ОАО «ЭР-Телеком» при анализе различных вариантов построения и проектировании телекоммуникационных сетей;

ОАО «Гипросвязь СПб» при планировании работ по адаптации оборудования к требованиям заказчиков, подготовке контрактов на поставку аппаратных и программных средств центров обработки информации и сопряжения корпоративных сетей, при послепродажной поддержке оборудования; проектировании центров сопряжения корпоративных информационных сетей;

Результаты диссертационной работы, связанные с моделями согласования корпоративных сетей, нашли отражение в госбюджетной научно-исследовательской работе по теме ПБ-2/АСОИУ-17 "Модели и методы реализации информационных технологий", выполняемой на кафедре "Автоматизированные системы обработки информации и управления" по единому заказ-наряду Министерства общего и профессионального образования РФ в период с 1993-1997 гг.

Результаты, связанные с методикой структурного синтеза центров сопряжения корпоративных информационных сетей отражены в научно-исследовательских работах по грантам для молодых кандидатов наук г. Санкт-Петербурга с 2003-2005 гг.: «Разработка моделей и методики расчета характеристик коммутаторов распределенных вычислительных систем» (Шифр гранта РБ03-2.0-96, 2003 г.), «Разработка метода и алгоритмов статистического моделирования межсетевых устройств матричного типа» (Шифр гранта Р004-2.0-74, 2004 г.), «Разработка процедуры оптимизации мультипроцессорных устройств сопряжения корпоративных сетей» (Шифр гранта Р005-2.0-42,2005 г.).

Основные научные результаты диссертации используются в учебном процессе при чтении лекций, курсовом и дипломном проектировании, проведении студенческих НИР и в лабораторных работах на кафедре «Информационные управляющие системы» Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, кафедре «Морские информационные технологии» Российского государственного гидрометеорологического университета. Издано 4 учебных пособия, в том числе с рекомендациями УМО вузов по университетскому политехническому образованию, и ряд методических указаний.

Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами о внедрении. Акты о внедрении и использовании результатов работы представлены в Приложении к диссертации.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на

следующих международных, всероссийских и региональных конференциях: Межвузовской конференции «Управляющие вычислительные системы. Новые технологии», Вологда, 1999 г.; международной научно-технической конференции "Транском-99", Санкт-Петербург, 1999; Научно-методическом семинаре «Информационные сети и системы», Москва, 1999 г.; VII Международной конференции «Региональная информатика - 2000», Санкт-Петербург, 2000; VI Международной конференции по информационным сетям и системам ISINAST, Санкт-Петербург, 2-7 октября 2000 г.; II научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ «Техника и технология связи», Санкт-Петербург, 2000 г.; VII Международной конференции по информационным сетям и системам ISINAST, Санкт-Петербург, 2001 г.; Международной конференции по телекоммуникациям IEEE/ICC2001, Санкт-Петербург, 11-15 июня 2001 г.; VIII международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки», Санкт-Петербург, 2001 г.; IV международной конференции по мягким вычислениям и измерениям, Санкт-Петербург, 2002 г.; IV всероссийской научно-технической конфёренции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий», 7-12 августа, г. Улан-Удэ, 2003 г.; I всероссийской научно-практическая конференция по вопросам применения имитационного моделирования в промышленности, Санкт-Петербург, 2003 г.; международной научно-технической конференции "Транском-2004", Санкт-Петербург, 2004; Международной конференции «Приборостроение в экологии и бёзопасности человека», 10-12 ноября 2004 г.; Санкт-Петербургской научно-практической конференции «Проблемы подготовки кадров в сфере инфокоммуникационных технологий», Санкт-Петербург, 1-3 марта 2005 г.; II всероссийской научно-практическая конференция по вопросам применения имитационного моделирования в промышленности, Санкт-Петербург, 2005 г.; Международной научно-методической конференции «Инновационные программы й их роль в повышении уровня подготовки специалистов», 16-19 октября, Санкт-Петербург,. 2006 г.; кафедральных семинарах и научно-технических конференциях Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в 1997-2006 гг.; Российского "государственного гидрометеорологического университета в 20022006 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 52 научные работы, из них 24 статьи (10 статей - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ), 1 монография, 5 .свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, двух приложений и списка литературы, включающего 151 наименование. Основная ;; часть работы изложена на 260 страницах машинописного текста. Работа содержит 159 рисунков и 21 таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследуемой проблемы, формулируется цель и направление диссертационной работы, приводятся положения, выносимые на защиту и определяющие научную новизну и практическую ценность результатов исследований.

В первой главе анализируется проблемы взаимодействия неоднородных сетей. Определены современные подходы к ее решению. Разработаны принципы построения центров сопряжения (ЦС). ЦС являются основой построения больших корпоративных сетей и определяют их распределенность, топологию и пропускную способность.

Корпоративная сеть неоднородна. В ее соединениях могут использоваться различные среды передачи данных, протоколы, операционные системы и приложения, которые работают согласованно как единое целое.

Выявлено два основных направления в развитии методов и средств организации взаимодействия неоднородных информационных сетей. Первое направление - теоретическое - ориентируется на использовании разработанной и стандартизованной международной организацией стандартов (МОС) эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС), в котором приоритет отдается требованиям стандартности протоколов и эффективности общесетевых процедур управления. Второе направление - практическое - предпочтительнее, так как предполагает организацию взаимодействия сетей таким образом, что протоколы передачи данных, процедуры управления и административные службы отдельных сетей сохраняют свою обособленность и автономность, хотя требования к сетевому контролю и управлению ужесточаются. В этом случае каждая сеть подвергается минимальным изменениям, а согласование протоколов взаимодействующих сетей осуществляется центрами их сопряжения.

Показано, что способы организации межсетевого взаимодействия с помощью центров сопряжения могут быть различными. Каждый подход зависит от конкретных требований, предъявляемых к конечному результату, и приводит к различным техническим и программным решениям. Однако в каждом конкретном случае при решении задачи взаимодействия неоднородных сетей разработчики исходят из необходимости учитывать общие для всех вариантов принципы построения центров сопряжения.

Выбраны и обосновано применение таких принципов построения центров сопряжения корпоративных сетей как универсальность, масштабируемость, надежность и производительность.

Показано, что этим принципам полностью удовлетворяют параллельные многопроцессорные вычислительные системы, являющиеся аппаратной платформой для структурного синтеза ЦС. Благодаря одновременному выполнению нескольких процессов достигается высокая производительность и высокая надежность: все основные процессы системы выполняются в распределенном режиме, что исключает наличие единственной точки отказа и обеспечивает возможность продолжения работы системы после возникновения неисправностей Имеющиеся ресурсы избыточности в параллельных системах

могут гибко использоваться как для повышения производительности, так и для повышения надежности.

Установлено, что структура ЦС характеризуется открытой модульной архитектурой, приспособленной к автоматической реконфигурации, и состоит из набора функциональных модулей, каждый из которых выполняет, функцию определенного протокола, например, прием или передачу кадра, буферизацию, обработку поступившего пакета по протоколу и другие. Каждый модуль является аппаратно-программируемым устройством. Такая технология позволяет, объединяя как функционально одинаковые модули, так и модули различного назначения, масштабировать структуру ЦС.

Показано, что возможность гибкого наращивания функций и протоколов делает структуру ЦС универсальной, т.е. не зависящей от степени неоднородности взаимодействующих сетей.

Обоснованные принципы обеспечивают выбор архитектуры ЦС, и их реализация возможна после анализа проблемы сопряжения включающего определение общей идеологии взаимодействия информационных сетей, степени их неоднородности, выбора стратегии согласования и других аспектов проблемы сопряжения корпоративных сетей. Проведенный анализ позволяет задать требования к синтезируемому ЦС как по его архитектуре, так и по качеству обслуживания.

Предложена последовательность анализа проблемы сопряжения корпоративных сетей, результатом которого стали принципы построения ЦС (рис. 1):

- Топология и сетевая архитектура интегрированной сети - этап, который определяет" цели, общесистемную идеологию межсетевого взаимодействия, внутреннюю и логическую структуру, функции уровней, принципы межуровневого взаимодействия и сетевую архитектуру, выбор наиболее общей модели телекоммуникационного взаимодействия (например, ЭМВОС, ATM, другие специализированные архитектуры),

- Источники и типы неоднородностей — этап, определяющий степень неоднородности компьютерных сетей, уровень стандартизации и сложности сетевых протоколов, масштаб прикладной направленности взаимодействующих сетей и их функциональную обособленность.

Протоколы, параметры, формат кадра, адресация, многоадресная рассылка, размер пакета, качество обслуживания, обработка ошибок, управление потоком, борьба с перегрузкой, безопасность, предлагаемый сервис, тарификация - вот те неоднородности, которые могут встречаться при использовании различных базовых технологий.

Установлено, что проблемы несовместимости оборудования разных производителей возникают по причинам использования фирменных стандартов и введения дополнительных функций и свойств. Каждая новая дополнительная функция, свойства или новая версия фирменного протокола требует совмещения как со стандартными протоколами коммуникационного оборудования других производителей, так и с прежними версиями собственного программного обеспечения.

Рис. 1. Этапы анализа проблемы сопряжения неоднородных сетей для реализации принципов построения центров их сопряжения

Показано, что в пределах одной корпоративной сети обычно используется большой набор разнообразных базовых топологий, и задача объединения их всех в единую сеть, прозрачную для транспортных операций конечных узлов, требует привлечения специальных методов и средств.

Определено, что задачи устранения неоднородности имеют некоторую специфику в зависимости от того, к какому уровню эталонной модели взаимодействия открытых систем о<ш относятся. Степень неоднородности сетевых технологий существенно возрастает при необходимости объединения сетей, имеющих существенно различные стеки протоколов. Реализация быстрого развития стандартов различных уровней эталонной модели позволяет преодолевать многие из ограничений существующих сетей.

Функциональное назначение и архитектуру ЦС определяет стратегия межсетевого взаимодействия.

Выявлены три основные стратегии согласования неоднородных сетей:

• трансляция, обеспечивающая согласование двух протоколов путем : преобразования сообщений, поступающих от одной сети, в формат другой

сети; сложность трансляции зависит не от того, насколько высокому уровню соответствуют транслируемые протоколы, а от того, насколько сильноЧши различаются.

• мультиплексирование, суть которого состоит в установке нескольких дополнительных стеков протоколов на одной из конечных машин, участвующих во взаимодействии;

• - инкапсуляция или туннелирование - метод, который может быть

использован, когда две сети с одной транспортной технологией д необходимо соединить через сеть, использующую другую транспортную технологию.

- Вид трафика и требования к качеству его обслуживания - данный этап анализа проблемы согласования неоднородных сетей играет важную роль при выборе структуры и формировании требований к характеристикам ЦС.

Доказано, что каждому виду трафика требуются определенные условия, которые можно охарактеризовать четырьмя основными параметрами: надежность, задержка, флуктуация (неравномерная задержка) и пропускная способность. Все вместе они формируют то, что называют качеством обслуживания, соответствующих трафику.

-Логика функционирования ЦС - на этом этапе определяется логика реализации ЦС. К факторам, задающим логику ЦС относятся: тип ЦС, обусловленный функциональной принадлежностью к уровневой иерархии протоколов, и архитектура ЦС, определяемая структурно-функциональными элементами и связями между ними.

В соответствии с результатами проведенного системного анализа определены следующие группы и типы ЦС:

• ЦС физического уровня - повторители, концентраторы;

• ЦС канального и сетевого уровней - мосты, коммутаторы;

• ЦС транспортного и выше уровней - маршрутизаторы и шлюзы.

Выполнен топологический анализ функциональных схем разных групп и типов ЦС, позволяющий обосновать структурные элементы (модули), на которых строится универсальный ЦС неоднородных сетей. Проведен морфологический анализ, определяющий три схемы межмодульных связей: матрицу коммутации, общую память, разделяемую шину.

Показано, что ценность системного подхода состоит в необходимости учитывать разработанные этапы и принципы при постановке и решении задачи структурного синтеза центров сопряжения на этапах настройки, доводки и модернизации информационной корпоративной сети. Сформулирована задача структурного синтеза ЦС как разработка методики синтеза оптимальной конфигурации ЦС в зависимости от внешних условий с обеспечением необходимого качества обслуживания.

Установлено, что решение поставленной задачи требует соответствующих методов и средств (моделей, расчетных методик) оценивания характеристик ЦС на соответствие требуемому качеству обслуживания при заданном либо прогнозируемом трафике.

В связи с этим введено в рассмотрение множество параметров, определяющих ЦС с точки зрения пользователя - показатели качества, параметры, задающие технические характеристики структурно-функциональных модулей ЦС, и параметры, характеризующие определенное решение, принятое для структурного синтеза центра сопряжения.

Определены следующие показатели качества центров сопряжения:

- пропускная способность ЦС —

- задержка передачи кадра -£2;

- вероятность блокировки принимаемых кадров для входящего канала / (процент потерянных кадров) -g3.

Ко множеству параметров задающих технические характеристики структурно-функциональных модулей ЦС отнесены:

- номинальное быстродействие процессоров

- цикл обращения к памяти

- объем памяти -

- длина машинного слова для обмена процессоров с памятью - q^,

- частота обращения процессора к памяти - <75.

В качестве оптимизируемых параметров Я в зависимости от группы и типа ЦС обоснованы и выбраны следующие:

- число процессоров обработки или обрабатывающих модулей -

- число секций общей памяти (СОП) - М\

- число буферов для хранения пакетов, закрепленных за каждым входящим каналом - БП(.=^, где 5- число сопрягаемых неоднородных сетей;

- матрица распределения ресурсов по секциям памяти - где

Л - число общих ресурсов, М- число секций памяти.

Таким образом, задача структурного синтеза ЦС сформулирована как смешанная многопараметрическая и многокритериальная экстремальная задача с ограничениями: при заданных значениях элементов множества параметров Q,

найти оптимальную структуру ЦС такую, чтобы выполнялись условия:

0<g.(QД)<gJ;OT,, £.е<5 (1)

ф-мшпЯвД) (2)

где ф - аддитивная функция стоимости ЦС.

Решение сформулированной задачи распадается на два этапа. На первом этапе на соответствующих моделях находятся зависимости показателей качества. На втором этапе решается оптимизационная задача, определяемая выражениями (1)-(2).

В результате проведенного обзора и анализа проблемы согласования неоднородных сетей разработаны принципы построения центров сопряжения, сформулирована цель исследования и основные задачи, решением которых она достигается.

Вторая глава посвящена разработке системной модели ЦС, которая является основой для всех дальнейших исследований, связанных с моделированием процессов согласования, функционирования и структурным синтезом центров сопряжения. Поэтому системная модель отражает уровни взаимодействия неоднородных сетей, функции центров сопряжения, принципы их проектирования, характеристики и варианты структур. Такое представление модели ЦС дает знание закона, по которому порождаются элементы системы и отношения Между " ними, что позволяет синтезировать ЦС с заданными свойствами в зависимости от требований внешней среды.

Показано, что методологической базой для разработки модели ЦС служит системный анализ. Системная модель представлена на трех уровнях иерархии: структурные модули ЦС, их назначение и выполняемые функции, взаимодействие элементов в единой системе и с внешней средой (3):

см=хя,Ф,е,сдоп). (3)

где Я- элементы системы (ЦС), Ф - множество функций, соответствующих ЭМВОС, й - множество показателей качества ЦС, Сдоп -параметры внешней среды.

С помощью топологического анализа выделены особые функциональные модули, которые составили базисный набор для структурного синтеза центров сопряжения. На основе морфологического анализа определены свойства центров сопряжения и разработана структура универсального ЦС, состоящей из следующих единиц (рис. 2):

• канальных модулей (КМ), предназначенных для выполнения процессов приема и передачи кадров; обозначим как множество М1={КМ).=^, 5 -

число сопрягаемых неоднородных сетей};

• процессорных модулей (ПМ), предназначенных для выполнения уровневых протоколов ЦС. ПМ состоит из набора обрабатывающих

модулей (ОМ); обозначим как множество М1={ОМ.N - число

ОМ, реализующих протоколы/-го уровня ЭМВОС};

• модуля памяти - общего поле памяти (ОПП), предназначенного для хранения общих информационных ресурсов, необходимых при выполнении уровневых протоколов и хранения передаваемых пакетов; обозначим как множество Л/3;

• схемы комплексирования (СК), предназначенной для объединения всех модулей в рамках одного центра сопряжения;

• виртуального канала (ВК) - для отображения входа/выхода КМ и поступающей на него нагрузки; обозначим как множество М4.

Рис. 2. Структура универсального ЦС

Предложенная системная модель универсального ЦС позволяет расширять возможности ЦС и структурируется из перечисленных готовых функциональных модулей в зависимости от нагрузки и степени неоднородности сопрягаемых сетей. С увеличением нагрузки возможно увеличение производительности ЦС расширением процессорного модуля по горизонтали путем добавления одного или нескольких ОМ определенного уровня. При подключении новой сети активизируется новый КМ, и добавляются новые ОМ по вертикали и секции общей памяти (СОП), необходимое число которых определяется заранее для соблюдения необходимых показателей качества обслуживания. Переключением связей между модулями задается схема комплексирования.

КМ - это интерфейсный модуль, выполняющий прием и передачу кадров по протоколам и функциям канального уровня ЭМВОС, передачу пакета через интерфейс в модуль памяти, фильтрацию пакетов по алгоритму моста, разгружающую процессорный модуль от обработки пакетов собственной сети.

Процессорный модуль выполняет функции обработки пакетов, т.е. принимает решения по их фильтрации/продвижению, модифицирует заголовки пакетов, если это необходимо, передает пакеты непосредственно присоединенному КМ или другому процессору обработки пакетов, обновляет базу данных адресной и топологической информации, поддерживает 8ИМР-управление и выполняет другую административную работу. Процессорный модуль состоит из набора ОМ. Каждый ОМ поддерживает все основные протоколы определенного уровня: ОМЗ - протоколы 3-го уровня и т.д. до 7-го уровня ЭМВОС и имеет свои копии программного обеспечения, т.е. возможна параллельная обработка на разных ОМ как одного и того же уровня, так и разных уровней.

Общее; поле памяти разбито на секции для параллельного обслуживания нескольких канальных и обрабатывающих модулей МЗ={ОПП ¡^¡м, М - число

секций общего поля памяти}. Память хранит маршрутные и адресные таблицы, буферы для хранения пакетов, передаваемые от одного процесса к другому. Память называется общей, так как она видна из любого модуля и доступна ему.

Организация вычислительного процесса в ЦС также зависит от способа соединения функциональных блоков системы. Согласно морфологическому анализу по топологии межмодульных связей в работе представлены следующие схемы комплексирования (СК):

• СК 1 - матричного типа;

• СК2 - на базе общей шины;

• СКЗ - на базе разделяемой памяти.

Виртуальный канал (ВК) в явном виде не является структурным элементом ЦС, но его можно представить как некий функциональный модуль, задающий нагрузку на порты ЦС и влияющий на процессы согласования скоростей и выделения необходимого объема буферной памяти в канальном модуле.

Механизм управления, реализованный в ЦС с помощью системы квитирования и ограниченного объема БП в КМ, в действительности уменьшает перегрузки по всей сети и поддерживает выходной поток сообщений всех пользователей в определенных границах

Таким образом, системная модель универсального ЦС запишется в виде следующего кортежа элементов, характеристик и связей:

■ ■ ■ ' ¿=1 ЦС=<М(91,?4,?5Д БП/=Г5),Л42(?1,95^), №(д2,д3,МЛ5), М4, р| СЮ ,0 ■■ ■ ■ ' 5

Частные варианты центров сопряжения описываются следующим кортежами:

ЦС физического уровня

• мост: <М1(9ьзд5,5^2,БП.=^),М4,СК2,С>.

ЦС канального и сетевого уровней

• коммутатор на базе матрицы: <М1(9ь?4,?5ЛБПМ4,СК1,0;

• коммутатор на базе общей шины: <Л/1(^Ь?4,95ЛБПМ4,СК2,в>

• коммутатор на базе общей памяти: <М1(9ь94,д5ДБП Ж{ЧъЧъ,МЯ$), М4,СКЗ,0.

ЦС транспортного и выше уровней

• маршрутизатор:

<М(9ьад5ДБП;=^),АС(9ь95/»0, Ю(дьдгМДЯ), Л/4, (СКЬ/СКЗ)Л(СК2УСКЗ),С>;

<m(q¡,q4,qs,S,БUi^),Ш(qhq¡MШq2mMЯ^,M4XCK\vCKЗ)A(CK2vCKЗ),G>.

В третьей главе предложен комплекс моделей процессов согласования корпоративных информационных сетей.

Показано, что в настоящее время специалисты выделяют три процесса согласования неоднородностей при объединении сетей: согласование длин пакетов, скоростей, протоколов.

Выявлено, что первые два исследуются на уровне аналитических моделей, а последний на уровне программного обеспечения, т.е. для любых двух разных протоколов разрабатывается согласовывающее их программное обеспечение.

Установлено, что фрагментация представляет собой параллельный процесс, не влияющий на общее время обработки пакета в ЦС, а сборка - это последовательное накопление пакетов до необходимой длины, требующее специального рассмотрения. В работе предложена модель, описывающая механизм сборки в виде замкнутой сети массового обслуживания. Особенность модели состоит в том, что она содержит накапливающий буфер IV, в котором происходит сборка пакета, а источник имеет счетчик С, значение которого уменьшается на единицу при поступлении очередного пакета в канальный модуль ЦС. Буфер накапливает до Ж-1 пакетов и затем при поступлении ¡У-го пакета вновь устанавливает счетчик С, который к этому времени достиг нуля, в положение IV. Предложенная модель позволяет оценить время сборки пакета Тс$

где |1 - производительность процессора КМ (порта), [бит/с].

Показано, что главной функцией согласования скоростей в ЦС является поддержание равномерной нагрузки на различные порты, а значит на различных участках сети.

Модели согласования скоростей представлены в работе тремя механизмами: «скользящее окно», «регулирование темпа» и «дырявое ведро».

Предложено оценивать влияние «скользящего окна» на общее время задержки пакета в ЦС с помощью модели замкнутой СМО. Особенность данной модели состоит в добавлении дополнительной искусственной системы

• шлюз:

обслуживания М+1, связывающей ЦС-источник и ЦС-получатель с интенсивностью входящего потока X по виртуальному каналу (ВК) с которым

вк

связан рассматриваемый КМ. Задержка виртуального канала из конца в конец равна отношению среднего числа пакетов п, находящихся в ВК к производительности ВК у:

^ = (3)

п~\

где р„ - вероятность того, что в ВК находится п пакетов.

Работа механизма «регулирования темпа» в работе описывается моделью замкнутой сети очередей, особенность которой состоит во введении накапливающего блока размером к для данного виртуального маршрута. Значение к устанавливается в счетчике регулирования темпа РС и записывается в локальную память КМ, к которому подключен рассматриваемый ВК. Модель описывает процесс групповых поступлений. Задержка, определяемая механизмом «регулирования темпа» равна

I 2 к — 1 +

(4)

2ц

где ц - производительность КМ.

Согласование" скоростей с помощью механизма «дырявое ведро» представлено в работе системой массового обслуживания с постоянным временем обслуживания: независимо от скорости, с которой пакеты поступают в КМ центра сопряжения, выходной поток обладает постоянной скоростью, когда в буферной памяти КМ есть пакты, и нулевой скоростью, когда БП пустая. Если пакет появляется в очереди, когда буферная память заполнена, пакет игнорируется. В каждом порту ЦС есть интерфейс, содержащий «дырявое ведро». Интерфейс может быть реализован как аппаратно, так и программно.

Время задержки заявки в СМО, описывающей механизм «дырявого ведра»:

'Г = -ТгЦ. (5)

где ц - производительность КМ; р - коэффициент загрузки КМ.

Приведенные в работе результаты сравнительного анализа говорят в пользу механизма «дырявое ведро».

В четвертой главе представлены разработанные аналитические, имитационные методы и алгоритмы оценки вероятностно-временных характеристик всех' представленных групп и типов ЦС, различных по функциональным и архитектурным решениям. Данные методы и модели, а также порядок их применения составляют основу для дальнейшего решения задачи структурного синтеза ЦС.

В группе ЦС канального и сетевого уровней представлены коммутаторы с разными схемами комплексирования: матричный, на базе общей памяти, на базе общей шины.

При построении полной модели матричной схемы коммутации (СК), содержащей сотни и тысячи коммутационных элементов (КЭ), с целью оценки ее ВВХ возникает задача снижения размерности модели.

Показано, что формально уменьшение размерности может быть сведено к выделению на разветвленной структуре некоторого множества классов объектов с последующей их заменой соответствующими моделями. Актуально при этом обеспечить однотипность моделей для представителей различных кластеров. Важно также, чтобы эти модели с достаточной полнотой отражали специфику процессов. В качестве такйх представителей различных кластеров СК целесообразно выбрать маршрут между парой вход/выход. СК декомпозируется на подмножества таких маршрутов. В каждое подмножество входят маршруты, близкие по условиям транспортировки пакетов в поле коммутации. Моделью маршрута и объектом имитации может служить модель виртуального канала (ВК), представляющая собой некоторую цепочку, состоящую из последовательности КЭ и каналов передачи (промежуточных шнуров), которыми соединяются только соседние каскады СК от порта-источника до порта-адресата. Одна и та же модель ВК для представления разных кластеров будет отличаться только параметрами.

Для имитации взаимодействия с потоками других маршрутов, частично перекрывающимися с рассматриваемым, строится вероятностный эквивалент не рассматриваемой в модели части СК в виде генератора фоновых потоков.

Такой подход дает выигрыш в том смысле, что имитируемый объект будет существенно меньшей размерности. Относительное сокращение числа КЭ в модели ВК по отношению к полной матричной СК составляет 2/5, где 5 - число КМ. Теоретической основой данного подхода можно рассматривать метод расслоенной выборки, предлагая в качестве совокупности факторных признаков все множество маршрутов, поскольку передача пакетов по отдельным маршрутам происходит с некоторым дискретным распределением вероятностей использования маршрутов, а также функциями распределения поступления кадров в ЦС.

Решение задачи по оценке ВВХ коммутационной схемы матричного типа выполнено в четыре этапа:

• на первом этапе строится матрица коммутации (МК).

• на втором выполняется декомпозиция МК на подмножества маршрутов, близких по условиям коммутации.

• на третьем этапе обосновывается и строится модель маршрута коммутации в виде модели виртуального канала коммутации, как эквивалента полной матрицы;

• на четвертом этапе строятся имитационные модели СК с модификациями полной топологически подобной МК и эквивалентом МК в виде ВК коммутации для выделенного варианта СК с тем, чтобы оценить точность замены полной модели МК моделью ВК.

При построении МК исследуется процесс коммутации и в работе предлагается оригинальный алгоритм построения связей между КЭ соседних каскадов.

Специфика декомпозиции МК заключается в том, чтобы при моделировании выделенной части (отдельного маршрута) воспроизвести взаимодействие процессов, протекающих во всех других маршрутах - соединениях, имеющих общие участки (КЭ) с выделенным маршрутом - соединением и влияющих на характеристики выделенной части. Кластеризация маршрутов выполняется по .признакам, характеризующим условия передачи протокольного блока по маршрутам. Поскольку все маршруты в МК имеют одинаковую длину, равную /числу каскадов сНо^, то факторным признаком выступает нагрузка, приходящаяся на КЭ, составляющие рассматриваемый маршрут. Значения нагрузки КЭ могут в сильной степени отличаться друг от друга, поэтому необходимо их проранжировать: КЭ будет обладать большим рангом, если на него приходится большая нагрузка. Определение значений нагрузки для каждого КЭ можно осуществить, задав производительности |д-, / = 1о^-(5У2) и используя

таблицу маршрутизации и алгоритмы формирования интенсивностей потоков, поступающих на КЭ. На полученном множестве значений нагрузки КЭ каждому элементу назначается ранг.

После того как определены ранга и выбран порог существенности связей, происходит собственно разбиение множества маршрутов МК на классы с помощью двухступенчатой декомпозиции.

Обеспечение декомпозиции связано с предварительными расчетами интенсивностей потоков кадров, поступающих на входы КЭ, и среднего времени их задержки в КЭ. В работе предлагаются алгоритмы, обеспечивающие декомпозицию МК:

• формирования интенсивности потоков кадров, поступающих на входы КЭ;

• вычисления среднего времени задержки пакетов в МК;

• формирования интенсивностей транзитных потоков.

В случае, когда на вход КЭ одновременно поступают два пакета, которые должны быть переданы на один и тот же выход КЭ, возникает конфликт пакетов с возможностью потери одного или обоих. Чтобы устранить такие конфликты, на входе или выходе КЭ ставят буферные запоминающие устройства (БЗУ), в которых один из двух «конфликтующих» пакетов задерживается на время ' передачи другого пакета, которому дан по тем или иным причинам приоритет.

Таким образом, для реализации непосредственно самой двоичной МК в работе предложены следующие альтернативные решения:

• «чистый» Баньян (без БЗУ в КЭ);

• Баньян с БЗУ на входе КЭ;

• Баньян с БЗУ на выходе (выходах) КЭ.

Сравнение результатов моделирования полных схем коммутации и их упрощенных моделей на основе ВК дают хорошую сходимость, что говорит о высокой степени доверия к модели ВК, на которой можно задавать все имеющиеся варианты схем матричной коммутации, и которая практически ничем не ограничена. Более того, модель ВК позволяет задавать дополнительные режимы, такие как приоритет отправки, вероятность переполнения буфера и т.д.

Анализ результатов показывает, что задержка получается минимальной в схеме с БЗУ на входах КЭ.

В табл. 1 представлены затраченные машинные ресурсы при моделировании коммутатора на основе модели ВК и топологически подобной (полной) схемы коммутатора.

Таблица 1

Показатели качества ИМ Полной модели Путь обмена (ВК)

Затраченное время на получение исходных данных для ИМ (мс) 53.28 Е-3 136.53 Е-3

Занимаемый программой объем оперативной памяти (байт) 59060 38322

Затраченное процессорной время на имитацию (мс) 5.589 3.333

Объединение этапов позволило разработать методику ускоренного анализа характеристик МК на основе машинной имитации. Методика состоит из следующих шагов:

1. По заданному количеству входных/выходных портов строится матрица коммутации согласно алгоритму, предложенному в работе.

2. Для заданной размерности коммутационной схемы формируется таблица, задающая маршруты между входящими и исходящими КЭ, непосредственно соединенными с портами КС.

3. Полученное множество путей классифицируется с помощью процедуры кластерного анализа. Получив разбиение Л={ки..„ удовлетворяющее введенному критерию оптимальности, определяется число щ путей из каждого

класса для проведения имитационных экспериментов.

4. Для конкретных путей (маршрутов), принадлежащих различным классам, с использованием модели ВК коммутации проводятся имитационные эксперименты по определению характеристик процесса передачи пакетов на выделенных путях с последующим построением (если в этом есть необходимость) обобщенных оценок характеристик качества функционирования всей МК. Имитация взаимосвязи с процессом функционирования всей МК производится с помощью эквивалентных генераторов фоновых потоков, построение которых осуществляется каждый раз в моделирующем алгоритме на этапе настройки модели ВК к воспроизведению функционирования заданного конкретного пути.

При разработке аналитической модели коммутатора на базе разделяемой памяти предполагалось, что все процессы системы одинаково обращаются к разделяемой памяти. Параллельность их выполнения в коммутаторе задается произведением логических показателей работы модулей или временных отрезков. Математическим аппаратом для оценки временных составляющих, связанных с ожиданием доступа в очереди разделяемой памяти, через которую осуществляется коммутация пакетов, выбран аппарат бесприоритетных замкнутых сетей массового обслуживания (ЗСеМО) с экспоненциальными многоканальными узлами и рекуррентная процедура оценки характеристик

ЗсеМО. Дляу=1,./ и к= 1, К

и*(/"1)11

1+

(6)

а к

(7) <8)

»*(/)= ЛС/)е*/*С/), (9)

где t к (/) ~ среднее время обслуживания пакета в к-ом приборе при наличии в ЗСеМО; пакетов, т{])= ['О'Ц^;

л(/) - пропускная способность ЗСеМО при наличии в ней] заявок; вектор е = [ек\=\к является решением системы линейных уравнений

е=еР, (10)

которая определяет стационарное распределение цепи Маркова, управляющей переходами заявок в ЗСеМО с матрицей вероятностей переходов

Система (10) решается при дополнительном ограничении

К

■ м _

Решение процедуры (6) - (9) начинается с щ (0)=0, для А= 1, К. В структуре ЦС транспортного и выше уровней (маршрутизатор, шлюз) имеется 5 КМ, N ОМ и М СОП, что означает, что в ЦС одновременно могут быть активны 2£+Лг процессов.

Составляющие среднего времени выполнения процессов, реализованных в таких типах ЦС, включают:

• время выполнения процессов приема;

• время выполнения процессов передачи;

• время выполнения протокольных процессов.

Все составляющие могут быть найдены с использованием двухфазной ЗСеМО с конечным числом источников. В каждом конкретном случае определяется число источников, обслуживающих приборов, строится матрица вероятностей перехода заявок между источниками и приборами. С помощью процедуры (6)-(9) находится соответствующая временная составляющая.

При наличии числа секций общего поля памяти М> 1 возникает задача распределения информационных ресурсов по СОП, т.е. задача формирования оптимальной матрицы где ^ - число общих ресурсов. В работе

предложена процедура распределения общих информационных ресурсов по секциям оперативной памяти, учитывающая не объем ресурса, а число обращений к нему, основанная на принципе оптимальности Беллмана.

Разработаны модели коммутатора на базе разделяемой шины, учитывающие

три метода доступа к шине: множественный, прерываний, опроса.

Определены условия, при котором рекомендуется выбирать коммутатор с тем или иным методом доступа, сопровождаемые результатами их сравнений.

Предложен обобщенный алгоритм вычисления производительности ЦС.

Пятая глава посвящена теоретическому обоснованию и разработке методики структурного синтеза ЦС.

После определения-характеристик ЦС решается задача формирования оптимальных конфигураций архитектуры ЦС, которую предлагается реализовать с привлечением специально разработанного генетического алгоритма (ГА) оптимизации структуры ЦС по производительности.

Методика структурного синтеза ЦС, основанная на ГА носит итеративный характер, включает последовательность шагов, некоторые из которых автоматизированы, в частности параметрическая оптимизация, а часть из них связана с лицом, принимающим решение, например, в выборе вычислительных средств, в способе их комплексирования, в необходимости повторения оптимизации. Таким образом, предложенная методика является некоторой системой, поддерживающей принятие решения и, включает следующие шаги:

1. Определение значений внешних параметров на основе сетевых требований:

1.1.5- число портов ЦС (взаимодействующих через ЦС сетей);

1.2. иI , ¿=1,5 - номинальная скорость передачи информации в канале связи, [бит/с];

1.3. ^ - допустимая величина среднего времени задержки пакетов;

1.4. р^ - допустимая вероятность искажения информации;

1.5. - допустимая вероятность блокировки кадра;

2. Определение внешних параметров, отражающих информационные и алгоритмические свойства ЦС как элемента корпоративной сети:

2.1. Ь - средняя длина пакета; Ьфт\п - минимальный межкадровый интервал;

2.2. р - вектор коэффициентов использования входящих каналов;

2.3. q - вектор числа команд протокольных процессов;

2.4. т^ - матрица суммарного числа команд, на которое протокольные процессы занимают информационные ресурсы;

2.5. Ер - матрица суммарного числа обращений протокольных процессов к информационным ресурсам.

Большое количество названных внешних параметров объясняется сложностью реальных параллельных систем, при проектировании которых необходимо учитывать влияние мультипроцессорной реализации, сетевой ОС и протокольных процессов.

Значения параметров 2.3-2.5 берутся из анализа реальных протоколов, который выполняется автоматически специальными программами мониторинга и анализаторами.

Анализаторы (мониторинговые системы) являются обязательными элементами современных корпоративных сетей. Их назначение - следить за сетью и собирать подробную статистику о ее работе. Анализаторы реализуются в виде программного модуля операционной системы ЦС или встраиваются в ЦС в виде платы расширения. Несмотря на то, что подсчет значений параметров 2.3-2.5 осуществляется независимо от проектировщика, в средствах проектирования необходимо предусмотреть программу, которая обеспечит автоматическое формирование соответствующих векторов и матриц 2.3-2.5.

Если при структурном синтезе ЦС требуется проведение расчетов по определению объемов секций памяти (в том случае, если объемы блоков памяти не были определены при выборе технических средств), дополнительно требуется определить следующие параметры:

2.6. Ьтах - максимальная длина пакета;

р

2.7. £ - вектор длин программных модулей протокольных процессов;

' Р

. 2.8. Ь - вектор длин элементов информационных ресурсов.

3. Уточнение структуры технических средств.

3.1. Выбор типового модуля для локальной памяти с циклом обращения х1 и разрядностью слова Ч1 бит, объем которого достаточен для хранения соответствующих уровневых протоколов. Определение коэффициента стоимости

3.2. Выбор типа процессора порта для КМ с номинальным быстродействием 2?™ и разрядностью слова Проверка условий

где д4' - число команд, выполняемых КМ для записи (чтения) слова в (из) ОПП.

Определение коэффициента стоимости Скм(#™,4/). Если (10), (11) не выполняются, то необходимо выбрать микропроцессор для КМ с большим быстродействием и повторить п.3.2 либо модуль ОПП с меньшим циклом обращения и вернуться на п. 3.1.

3.3. Построить линейку типов микропроцессоров для ОМ с номинальным

быстродействием Вн^ и разрядностью слова Т„ г=1 ,Р, где Р - число представленных типов микропроцессоров. Определение вектора коэффициентов

3.4. Построить линейку типовых модулей для общего поля памяти с циклом обращения т?оп секунд и разрядностью слова Ч', бит, г'=1, С, где С - число

и

(И)

(12)

стоимости г'=1-Р-

представленных типовых модулей памяти. Определение вектора коэффициентов стоимости

3.5. Определение способа комплексирования ОМ и КМ с ОПП и коэффициента стоимости С°к.

4. Задать параметры генетического алгоритма:

- 2 - число особей в популяции,

- Хь %2 ' Хз > 14 - порядок операции кроссовера для разных хромосом;

- <7 - вероятность мутации гена,

- е, Кдоп - критерии останова.

Каждая особь популяции описывается набором из трех хромосом:

- И-число ОМ;

- 5^,..., В™ - линейка представленных быстродействий

процессоров ОМ;

- М- число секций, на которые может быть разбита общая память;

- т^®^,..., т^®^ - линейка представленных быстродействий (времен

доступа) памяти.

5. Реализация на ЭВМ алгоритма параметрической оптимизации.

5.1. Выбрать начальную популяцию 5о, включающую X особей.

Особь 5 е 50 включить в популяцию только при выполнении ограничений

А(;)>}£и,6, (13)

и (И)

Если хотя бы одно из условий (13), (14) не выполняется, то особь в популяцию не включается.

Положить номер популяции к:=0.

5.2. Вычислить приспособленность каждой особи популяции Ф(5), и приспособленность популяции в целом

Ф*=пип(ф(в)|$ = 1,2,...Д

где ^ - номер особи в популяции, который позволяет однозначно определить соответствующий этой особи генотип; Ф(з) - целевая функция задачи оптимизации.

5.3. Селекция. Случайным образом (метод рулетки) выбрать родителей 51( 52 из популяции к для следующего потомства в соответствии с распределением вероятностей Р5,..., , где

р- ф(*)

5.4. Скрещивание. Построить хромосому потомка по ПРИ помощи

оператора - точечного кроссовера применительно к z'-й хромосоме.

5.5. Мутация. Модифицировать sj, с вероятностью q заменив значение каждого гена потомка на противоположное.

5.6. Формирование новой популяции, которая объединяет решения следующего поколения. Для этого Z раз выполнить операции алгоритма, начиная с шага 3, помещая каждую вновь полученную особь в следующую популяцию Sjt+j• Затем положить номер новой популяции к:-к + 1 и перейти к шагу 7.

5.7. Останов. Если приспособленность L последних популяций увеличилась

на величину меньшую чем s, или если к = Кдои, то остановить процесс эволюции. В качестве решения задачи оптимизации взять наилучшую из найденных особей последней популяции.

Процедура построения ЦС корпоративной информационной сети считается ¡завершенной.

В шестой главе представлены экспериментальные соотношения, составляющие основу процедур выбора структуры ЦС и результаты практической проверки разработанных методов, моделей и алгоритмов. Для этого разработано программное обеспечение, позволяющее синтезировать модель ЦС любого функционального уровня.

Предложено" рассматривать модель ЦС как комбинацию компонентов, переменных, параметров, спецификаций, ограничений и целевой функции. Такое представление обеспечивает адекватность структуризации модели ЦС в рамках поставленной задачи по оцениванию ВВХ.

Имитационная модель ЦС разработана с использованием объектно-ориентированного программирования. Некоторые объекты собраны в классы. Такой подход позволяет унифицировать разработку имитационной модели центра сопряжения любого уровня ЭМВОС и архитектурного решения. Разработанная библиотека объектов и классов объектов, путем комбинации которых синтезируется имитационная модель конкретного ЦС, представлена в табл. 2.

Имитационная модель центра сопряжения позволяет:

1) Оценить:

- временные и нагрузочные характеристики функционирования ЦС;

- характеристики времени передачи пакетов через ЦС (среднее время, дисперсию, гистограмму-функцию распределения);

- характеристики очередей в КМ, КЭ, ОМ на входах и на выходах: среднюю длину, максимальное значение, гистограмму-функцию распределения.

2) Оценить влияние структуры трафика (несимметричность) на характеристики ЦС.

3) Выполнить анализ соответствия характеристик центра сопряжения сетевому трафику.

4) Синтезировать ЦС из программных объектов: процессоров портов, обрабатывающих модулей или процессоров КЭ, буферных запоминающих устройств портов, общего поля памяти и схемы межмодульных связей.

Таблица 2

Объект иль

класс

объектов

Представление в имитационной модели

Примечание

Объект «Пакет»

Пакет

Start; Time AD IST Status

В полях фиксируется моменты: start -поступления пакета в ЦС (момент генерации пакета); time - время очередного момента относительно момента генерации; AD - адрес назначения пакета (номер выходного порта ЦС); 1ST - адрес передающего KM; status -состояния пакета: активный (true) - пакет может обрабатываться или передаваться, иначе - пассивный (false).

Класс объектов «КМ»

Канальный модуль

Infpaket

Start Time AI) IST, StatusV

Lpak Fpak

Lpak - адрес ячейки, хранящей первый пакет, записанный в FIFO очередь буферной памяти данного канального модуля; Fpak - адрес ячейки, хранящей последний пакет, записанный в FIFO очередь буферной памяти данного канального модуля._

Объект «Очередь»

Адрес ячейки БП

Кольцевая очередь - набор адресов ячеек, занятых пакетами, стоящими в очереди на обслуживание в каких-либо модулях. Каждый адрес связан с соседним через ссылку на точку доступа к нему «Point».

Infpaket Point (адрес следующей ячейки)

'Start' rime AD Statu

Класс объектов «ОМ»

Обрабатывающий модуль

Infpaket

-Start ■Time! AD 1ST Status V

Lpak Fpak Count

Count - Число обращений протокольного процесса, размещенного на данном ОМ к общему полю памяти; Lp - адрес ячейки, хранящей первый пакет, записанный в FIFO очередь на обслуживание к данному ОМ; Fpak - адрес ячейки, хранящей последний пакет, записанный в FIFO очередь на обслуживание к данному ОМ.

Объект

«Счетчик

очереди»

Счетчик очереди

Значение «Счетчик очереди» увеличивается на единицу при каждом новом поступлении пакета в БП или уменьшается на единицу при обслуживании пакета из очереди

Класс объектов «КЭ» Коммутационный элемент Координаты «Вход 0», «Вход 1» - номера входов КЭ. Координаты «Выход 0», «Выход 1» - номера выходов КЭ. Номер каскада записывается в поле «N_c». Все координаты в ИМ переводятся в двоичный вид. Поле «Rem» - счетчик очереди закрепленной за входом или выходом данного КЭ. Lpak -адрес ячейки, хранящей первый пакет, записанный в FIFO очередь на обслуживание в данном КЭ; Fpak - адрес ячейки, хранящей последний пакет, записанный в FIFO очередь на обслуживание в данном КЭ.

Вход 0 Выход 0 1 Выход 1

Infpaket

Time !ST Status

L F N_c Rem

Класс объектов «Генератор сообщений (пакетов)» При генерации пакета поля формируются следующим образом: Start - задается генератором случайных чисел с соответствующим параметром X относительно генерации предыдущего пакета; Time - присваивается значение Start; AD - задается генератором случайных чисел в диапазоне от 0 до 5-1; Status -присваивается «True»

Infpaket

Start. Tim г AD' 1ST Status -

СК Схема коммутации СК является постоянной на время моделирования и задается как исходное значение перед запуском ИМ. Схема коммутации задается неявно особенностями программной реализации, в явном виде -производительностью СК, например, производительностью шины, временем проключения КЭ, циклом обращения к памяти.

Объект «СОП» Секция оперативной памяти N_SOP - номер СОП; Lpak - адрес ячейки, хранящей первый пакет, записанный в FIFO очередь на обслуживание в данной СОП; Fpak - адрес ячейки, хранящей последний пакет, записанный в FIFO очередь на обслуживание в данной СОП.

N SOP Infpaket

Start Time«. AD 1ST (Status

* Lpak Fpak

Варьируемые параметры модели представлены в табл. 3.

Таблица 3

Группы параметров Параметры

Описывающие структуру ЦС Число входов/выходов (портов) £ Число СОП-М Число КЭ для ЦС матричного типа Число ОМ для всех остальных - N.

Описывающие характеристики схемы коммутации Время, затрачиваемое СК на обработку одного пакета. Время, затрачиваемое на рестарт.

Описывающие рабочую нагрузку Интенсивность поступления кадров в порты ЦС. Тип распределения потоков. Длина кадров.

Получены результаты, свидетельствующие о высокой степени доверия к предложенным методам, алгоритмам и разработанным моделям, что дает право дальнейшего их использования для проведения натурных экспериментов. На базе этих результатов выведены экспериментальные соотношения, составляющие основу процедур выбора структуры ЦС.

В заключении сформулированы основные результаты теоретических исследований и практических разработок, представленных в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В рамках диссертационной работы проведено теоретическое обобщение и получено решение важной научно-технической проблемы создания методологической базы, методов, моделей и алгоритмов, обеспечивающих системный анализ и структурный синтез центров сопряжения неоднородных информационных сетей

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1) Теоретико-метологические основы структурного синтеза центров сопряжения корпоративных информационных сетей. В этом направлении разработаны:

Принципы построения центров сопряжения неоднородных информационных корпоративных сетей, включающие описания:

• сопряжения на системном, функциональном, информационном и аппаратном уровнях,

• источников и типов неоднородностей взаимодействующих сетей,

• анализа и классификации типов трафика и требований к качеству его обслуживания,

• структурно-функционального анализа проектных вариантов центров сопряжения.

- Системная модель, представляющая универсальный ЦС как мультипроцессорную параллельную систему, состоящую из структурно-функциональных модулей, обеспечивающих требуемую функциональную полноту. Модель отражает многоэтапность и многофункциональность процессов обслуживания и согласования.

- Аналитические и имитационные модели процессов согласования форматов пакетов, скоростей и буферных емкостей, реализуемых в ЦС неоднородных информационных сетей.

- Аналитические и ускоренные имитационные методы анализа предложенных моделей, описывающих процессы функционирования ЦС.

2) Инструментальные средства:

- Комплекс методов и алгоритмов по расчету дифференциальных и системных характеристик центров сопряжения корпоративной сети, распространяющийся на различные группы и типы ЦС;

- Алгоритм последовательного распределения общих информационных ресурсов ЦС по секциям оперативной памяти, основанный на принципе оптимальности Белмана, позволяющий получить матрицу распределения

информационных ресурсов;

- Методика структурного синтеза центра сопряжения корпоративных информационных сетей, основанная на комбинированном применении этапов автоматической генерации множества альтернативных структур ЦС на базе генетического алгоритма и «ручного» выбора предпочтительного варианта, что позволяет осуществлять многокритериальный синтез структуры ЦС в условиях близких к реальным.

3) Экспериментальные и прикладные результаты

- базовое программное обеспечение, позволяющее синтезировать модель центра сопряжения любой структуры и функционального назначения для проведения натурных экспериментов с исследуемой моделью;

- экспериментальные соотношения вероятностно-временных характеристик, отражающие зависимость от различных внешних и внутренних влияющих факторов, доказывающие правомерность и эффективность предложенных методов, алгоритмов и методик.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Татарникова Т.М., Кутузов О.И., Сергеев В.Г. Коммутаторы в корпоративных сетях. Моделирование и расчет. //Монография: - СПб: Судострение, 2003.

2. Татарникова Т.М. Особенности моделирования АТМ-коммутатора//Управляющие вычислительные системы. Новые технологии. Межвузовская конференция/ ВГТУ. Вологда, 1999. С. 116-117.

3. Татарникова Т.М. Особенности программного моделирования обработки пакета в коммутаторе с разделяемой памятью. //Информационные сети и системы. Научный семинар Москва 26-27 октября 1999. С. 56-57.

4. Татарникова Т.М. К расчету основных характеристик шлюза распределенных сетей./Лруды учебных заведений связи/СПбГУТ. СПб, 2000. №166. С. 62-68:

5. Татарникова Т.М. Подход к расчету основных характеристик коммутатора корпоративных сетей. VI Международный форум по информатизации. Международная конференция по информационным сетям и системам КШАБ-2000. Санкт-Петербург, 2-7 октября, 2000. С. 470-481.

6. Татарникова Т.М. Оценка среднего времени сборки пакета в АТМ-коммутаторе.//Проблемы управления транспортными системами. Сборник научных трудов/ СПбГУВК. СПб, 2000. С. 240-245.

7. Татарникова Т.М. Оптимальное распределение информационных ресурсов по секциям общей памяти мультипроцессорной системы Международная конференция по телекоммуникациям 1ЕЕЕЯСС2001. Санкт- Петербург, 11-15 июня 2001. С. 434-457.

8. Татарникова Т.М. Процедура выбора структуры и настройки параметров шлюза распределенной сети.//Международная конференция по телекоммуникациям 1ЕЕЕ/1СС2001. Санкт Петербург, 11-15 июня 2001. С. 202209.

9. Татарникова Т.М. Алгоритм установления соединений между элементами двоичной коммутационной матрицы//Информационные сети, системы и технологии. Труды VII международной конференции ICINASTe-2001. С. 78-80.

10. Татарникова Т.М., Кутузов О.И. Оценка задержки при согласовании форматов данных в шлюзе//Информационные технологии в технических и организационных системах. Известия ТЭТУ. Вып. 514. СПб: СПбГЭТУ, 1997. С.11-13.

11. Татарникова Т.М., Кутузов О.И., Хаддад М. Концепция аналитико-статистического моделирования информационных сетей. //Информационные технологии в технических и организационных системах. Известия ГЭТУ. Вып. 486./СПбГЭТУ. СПб,1995. С. 15-18.

12. Татарникова Т.М. Подход к оценке производительности шлюза в информационных сетях.//Информационные технологии на транспорте. Сборник науч. трудов. /СПбГУВК. СПб, 1996. С- 185-187.

13. Т.М. Татарникова, О.И. Кутузов, Ф. Шахин Вариант построения имитационной модели коммутатора.//Управляющие вычислительные системы. Новые технологии. Межвузовская конференция/ВГТУ. Вологда,1999. С. 308-314.

14. Татарникова Т.М. Концепция динамически настаиваемой коммуникационной среды.//Санкт-Петербургская научно-практическая конференция «Проблемы подготовки кадров в сфере инфокоммуникационных технологий», Санкт-Петербург, 1-3 марта 2005 года. С.137-139.

15. Татарникова Т.М. Микропроцессорные устройства сопряжения распределенных автоматизированных систем. 52 НТК профессорско-преподавательского составаУСПбГУТ. СПб, 1999. С. 113-114.

16. Татарникова Т.М. Имитационная модель коммутатора с разделяемой памятью. 53 НТК профессорско-преподавательского состава/СПбГУТ. СПб, 2000. С. 201-202.

17. Татарникова Т.М. Алгоритм распределения ресурсов по секциям общей памяти межсетевого устройства//54-я НТК профессорско-преподавательского состава/СПбГУТ. СПб, 2002. С. 76-77.

18. Татарникова Т.М. Разработка модели оценки функциональной надежности базовой транспортной сети передачи данных.//Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях. Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 5./СПбГУВК. СПб, 2004 г. С. 113-120.

19. Татарникова Т.М. Расчет эффективности коммутатора с общей средой и множественным доступом. //Международная НТК «ТРАНСКОМ-2004». СПбГУВК. СПб, 2004 г. С. 112-114.

20. Татарникова Т.М. Алгоритмический анализ стохастических сетевых моделей//56-я НТК профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов/ СПбГУТ. СПб, 2004. С. 96-97.

21. Татарникова Т.М. Эффективность коммутатора на основе общей шины с множественным доступом//57-я НТК профессорско-преподавательского состава/СПбГУТ. СПб, 2005. С. 324-325.

20. Татарникова Т.М. Концепция настраиваемой модульной структуры многопроцессорных устройств сопряжения разнородных сетей//Труды учебных

заведений связи/ СПбГУТ. СПб, 2005 г. №173. С.47-50.

21. Татарникова Т.М., Кутузов О.И. Подход к расчету среднего времени задержки пакета в шлюзе информационных сетей. Деп. в ВИНИТИ 17.12.96 №3677-В96

22. Татарникова Т.М., Амари С., Шахин Ф. Определение среднего времени сборки/разборки кадров в корпоративной сети.//Управление информационными технологиями на транспорте. Международная НТК «ТРАНСКОМ-99». СПбГУВК. СПб, 1999. С. 270-272

23. Татарникова Т.М, Кутузов О.И., Шахин Ф. Концепция ускоренного статистического моделирования информационных сетей.//Управление информационными технологиями на транспорте. Международная НТК «ТРАНСКОМ-99». СПбГУВК. СПб, 1999. С 49-52.

24. Татарникова Т.М, Шахин Ф. Имитационная модель матричной схемы коммутатора.//Техника и технология связи. 2-я НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ/СПбГУТ. СПб, 2000. С.165-169.

25. Татарникова Т.М, Амари С. Способы построения коммутаторов локальных вычислительных сетей.//Техника и технология связи 2-я НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ/СПбГУТ. СПб, 2000. С. 308-312.

26. Татарникова Т.М., Кутузов О.И., Шахин Ф. Анализ чувствительности коммутаторов к асимметрии трафика. VII Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика 2000». Санкт-Петербург, 5-8 декабря 2000 г. С. 256-258.

27. Татарникова Т.М., Кутузов О.И., Шахин Ф. Алгоритм построения связей между коммутационными элементами матрицы типа «Баньян».//Информационные проблемы транспортных систем. Сбор ник научных трудов/СПбГУВК СПб, 2000. С. 305-309.

28. Татарникова Т.М., Кутузов О.И. Ускоренное статистическое моделирование телекоммуникационных сетей.//Высокие интеллектуальные технологии образования и науки. 8 международная научно-методическая конференция/СПбГТУ. СПб, 2001. С. 409-412.

29. Татарникова Т.М., Кутузов О.И. Метод статистического моделирования матричных устройств сопряжения сетей.//Прикладная математика в инженерных расчетах на транспорте/СПбГУВК. СПб, 2002 г. С. 134-137.

30. Татарникова Т.М., Кутузов О.И. Метод статистического моделирования матричных устройств сопряжения сетей/ЛУ международная конференция по мягким вычислениям и измерениям. СПбГЭТУ. СПб, 2002 г. С. 201-206.

31. Татарникова' Т.М., Кутузов О.И., Иванова М.В. Эффективность совместимого применения РВМ и расслоения при моделировании редких событий.//Методы прикладной математики в транспортных системах. Сборник научных трудов. Выпуск 6,2002 г. С. 165-169.

32. Татарникова Т.М., Кутузов О.И., Методика ускоренного анализа характеристик коммутационных систем типа «Баньян».//Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий Материалы четвертой всероссийской научно-технической конференции, 7-12 авг. 2003 г. С.

241-245.

33. Татарникова Т.М., Кутузов О.И. Ускоренная имитация при моделировании сетей.//Первая всероссийская научно-практическая конференция по вопросам применения имитационного моделирования в промышленности/ЦНТИ Судостроение. СПб, 2003. С. 98-102.

34. Татарникова Т.М. Имитационное моделирование при проектировании коммутаторов//Информационные сети и системы. Научный семинар Москва 2627 октября 1999. С. 55-56.

35. Татарникова Т.М., Кутузов О.И. Моделирование телекоммуникационных сетей. СПб: СПбГУТ, 2001,- 75 с.

36. Татарникова Т.М., Кутузов О.И., Петров К.О. Распределенные информационные системы управления. СПб: СПбГУТ, 2003. - 43 с.

37. Татарникова Т.М., Кутузов О.И., Улзутуев Б.И. Расчет производительности коммутатора на базе разделяемой шины.//Международная НТК «ТРАНСКОМ-2004», 2004. С. 87-89.

38. Tatarnikova T., Ivanov О. Regional information system of monitoring/St. Petersburg Stat University of Aerospace instrumentation. St. Petersburg, 2004. P. 5155.

39. Татарникова T.M., Кутузов О.И. Оптимизация мультипроцессорной системы на основе генетических алгоритмов.//Вторая всероссийская конференция по вопросам применения имитационного моделирования/ЦНТИ «Судостроение». СПб, 2005 г. С. 196-203.

40. Татарникова Т.М., Кутузов О.И. Применение имитационного моделирования для расчета ВВХ многопортовых устройств сопряжения.//Вторая всероссийская конференция по вопросам применения имитационного моделирования/ЦНТИ «Судостроение». СПб, 2005 г. С. 387-391.

41. Татарникова Т.М., Кутузов О.И. Подход к оптимизации структуры межсетевого устройства с привлечением генетических алгоритмов//Информатика, управление и компьютерные технологии. Известия ТЭТУ «ЛЭТИ». №1. СПб: СПбГЭТУ, 2006. С.61-67.

42. Татарникова Т.М., Тонг Минь Дык Аналитическая модель коммутатора с общей шиной.//Межвузовский сборник научных трудов/СПбГУВК. СПб, 2006.С. 44-50.

43. Татарникова Т.М., Малков К.О. Концепция построения межсетевого устройства, обеспечивающего необходимую производительностью/Санкт-Петербургская научно-практическая конференция «Проблемы подготовки кадров в сфере инфокоммуникационных технологий», Санкт-Петербург, 1-3 марта 2006 г. С. 205-209.

44. Татарникова Т.М., Кутузов О.И. Алгоритм построения связей между коммутационными элементами в двоичной матрице коммутации. Свидетельство об официальной регистрации разработки № 6864 от 07.09.2006 г. в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

45. Татарникова Т.М. Имитационная модель коммутатора с общей памятью. Свидетельство об официальной регистрации разработки № 6865 от 07.09.2006 г. в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по

образованию.

46. Татарникова Т.М. Имитационная модель на базе общей шины. Свидетельство об официальной регистрации разработки № 6866 от 07.09.2006 г. в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

47. Татарникова Т.М., Шанти Й. Аналитическая модель коммутатора с общей памятью//Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях. Международный межвузовский сборник научных трудов/СПбГУВК. СПб, 2006. Выпуск 7. С. 141-146.

48. Татарникова Т.М., Кутузов О.И. Структурная модель универсального центра сопряжения неоднородных информационных сетей//Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях. Международный межвузовский сборник научных трудов/СПбГУВК. СПб, 2006. Выпуск 7. С. 99103.

49. Татарникова Т.М., Бескид П.П., Ананченко И.В. Администрирование системы VipNet. Свидетельство об официальной регистрации разработки № 5585 от 30.01.2006 г. в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

50. Татарникова Т.М., Бескид П.П., Ананченко И.В. Программа раннего обнаружения несанкционированных действий в вычислительных компьютерных сетях общего доступа Свидетельство об официальной регистрации разработки № 6078 от 10.06.2006 г. в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

51. Татарникова Т.М. Анализ проблемы согласования неоднородных сетей.//Труды учебных заведений связи/СПбГУТ. СПб, 2006. №175. С. 57-66.

52. Татарникова Т.М. Информационная система как инструмент взаимодействия инновационных инфраструктур для обмена технологическими запросами и предложениями. Материалы международной научно-методической конференции «Инновационные программы и их роль в повышении уровня подготовки специалистов». Санкт-Петербург, 16-19 октября, 2006 г. С. 12-14.

53. Tatarnikova T., Kutuzov О., Shanti Y. The coordination of speeds of nonuniform networks sold in the centers of their interface//Instrumentation in ecology and human safety 2006/ International conference/St. Petersburg Stat University of Aerospace instrumentation. St. Petersburg, 2006. P. 128-132.

54. Tatarnikova T. Urgency and formulation of a task of structural synthesis of the centers of interface of corporate information networks /St. Petersburg Stat University of Aerospace instrumentation. St. Petersburg, 2006. P. 156-162.

55. Татарникова T.M., Малков K.O. Метод аналитического расчета производительности центра сопряжения корпоративной сети.//Информационные сети, системы и технологии. Труды IX международной конференции ICINASTe-2006. С. 21-25.

Подписано в печать 19.02.2007. Формат 60x84/16 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис». Печать ризографическая. Заказ № 1/1902. П. л. 2.0. Уч.-изд. л. 2.0. Тираж 100 экз.

ЗАО «КопиСервис» Адрес юр.: 194017, Санкт-Петербург, Скобелевский пр., д. 16. Адрес факт.: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 3. тел.: (812) 327 5098

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ СОПРЯЖЕНИЯ КОРПОРАТИВНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ.

1.1 Особенности корпоративных информационных систем на примере ГИС.

1.2 Этапы анализа проблемы взаимодействия неоднородных сетей.

1.3 Топологический анализ функциональных схем центров сопряжения.

1.3.1 Коммутаторы.

1.3.2 Маршрутизаторы и шлюзы.

1.4 Характеристики центров сопряжения.

1.5 Принципы построения ЦС.

1.6 Формулировка задачи исследования

Выводы по первой главе

2 СИСТЕМНАЯ МОДЕЛЬ ЦЕНТРА СОПРЯЖЕНИЯ КОРПОРАТИВНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ

2.1 Структурно-функциональный анализ ЦС.

2.2 Структурная схема универсального ЦС.

2.2.1 Алгоритм работы канального модуля.

2.2.2 Алгоритм работы процессорного модуля.

2.2.3 Схемы комплексирования.

2.2.4 Организация памяти ЦС.

2.2.5 Формализованная структура виртуального канала.

2.3 Математическое обеспечение расчета ВВХ ЦС.

Выводы по второй главе.

3 КОМПЛЕКС МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ СОГЛАСОВАНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ.

3.1 Модели согласования скоростей взаимодействующих неоднородных сетей, реализованные в канальном модуле ЦС.

3.1.1 Согласование скоростей с помощью механизма скользящего окна.

3.1.2 Согласование скоростей с помощью механизма управления темпом передачи.

3.1.3 Согласование скоростей с помощью механизма «дырявое ведро».

3.2 Модель фрагментации/сборки пакетов.

3.3 Анализ буферной памяти канального модуля ЦС.

Выводы по третьей главе.

4 СИСТЕМА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ АНАЛИТИЧЕСКОГО И ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ЦС КОРПОРАТИВНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ.

4.1 Аналитико-статистический метод оценки характеристик 116 матричного коммутатора.

4.1.1 Алгоритм коммутации.

4.1.2 Алгоритм построения связей между КЭ в двоичной МК.

4.1.3 Декомпозиция матрицы коммутации.

4.1.4 Имитационные модели КС с модификациями полной и эквивалентной МК. Методика моделирования КС-Б.

4.2 Аналитическая модель коммутатора с общей памятью.

4.2.1 Определение составляющих среднего времени задержки пакета в коммутаторе с общей памятью.

4.2.2 Анализ результатов аналитического моделирования.

4.3 Математическое моделирование коммутатора с общей шиной.

4.3.1 Доступ к шине в режиме опроса.

4.3.2 Доступ к шине в режиме прерываний.

4.3.3 Множественный доступ к шине.

4.4 Аналитическая модель ЦС высокого уровня (маршрутизатор/шлюз).

4.4.1 Определение составляющих среднего времени выполнения процессов на ОМ.

4-4.2 Оценка^, Т**, f*P.

4.4.3 Расчет суммарного среднего времени ожидания предоставления информационных ресурсов- tP.

4.4.4 Расчет суммарного среднего времени ожидания в очереди активных процессов tA.

4.4.5 Анализ результатов расчета характеристик маршрутизатора/шлюза.

4.5 Формирование матриц распределения ресурсов по секциям оперативной памяти.

Выводы по четвертой главе.

5 ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ЦС.

5.1 Генетические алгоритмы в задачах оптимизации.

5.2 Классический генетический алгоритм.

5.3 Методика структурного синтеза ЦС на основе алгоритма оптимизации.

5.4 Результаты работы алгоритма оптимизации.

Выводы по пятой главе.

6 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦС.

6.1 Механизм системного времени в имитационных моделях ЦС.

6.2 Объекты и классы объектов ИМ универсального ЦС.

6.3 Имитационная модель коммутатора на основе матрицы коммутации типа "Баньян".

6.3.1 Особенности моделирования коммутатора с БЗУ на входе КЭ.

6.3.2 Модель коммутатора с БЗУ на выходах КЭ.

6.3.3 Особенности модели "чистый Баньян".

6.4 Имитационная модель коммутатора с общей памятью.

6.4.1 Алгоритм работы модели коммутатора с общей памятью.

6.4.2 Анализ результатов имитационного моделирования коммутатора с общей памятью.

6.5 Имитационная модель коммутатора с общей шиной.

6.5.1 Алгоритм работы модели коммутатора с общей шиной.

6.5.2 Анализ результатов имитационного моделирования коммутатора с общей шиной.

6.6 Имитационная модель марщрутизатора/шлюза.

6.6.1 Алгоритм функционирования ИМ маршрутизатора/шлюза.

6.6.2 Анализ результатов моделирования маршрутизатора/шлюза.

Выводы по шестой главе.

Характерной тенденцией российского рынка информационных технологий является проникновение коммуникаций глобальных и распределенных сетей [8, 43, 55, 56, 57].

В настоящее время наблюдается бурный количественный и качественный рост компьютерных сетей. Эта тенденция, которая очевидно сохранится в ближайшее десятилетие, хорошо иллюстрируется беспрецедентным ростом сети Интернет, охватывающей все страны мира. Локальные компьютерные сети, являющиеся основой автоматизации деятельности отдельных предприятий и фирм, и распределенные сети, охватывающие города, регионы и континенты, проникли во все сферы человеческой деятельности, включая экономику, науку, культуру, образование, промышленность и т.д. Современные компьютерные сети обеспечивают пользователям широкий набор услуг, включая электронную почту, передачу факсимильных и голосовых сообщений, работу с удаленными базами данных в реальном масштабе времени, службу новостей и другие услуги. На базе компьютерных сетей реализуются: дистанционное обучение, телемедицина, телеконференции, телебиржи и телемагазины и т.д.

Научно-технический прогресс привел к появлению класса сложных крупномасштабных объектов или корпораций. К таким объектам относятся крупные производственные комплексы, системы коммунальных служб и транспорта, а также экономические и экологические системы регионов [76, 79].

Слово «корпорация» означает объединение предприятий, работающих под централизованным управлением и решающих общие задачи. Корпорация является сложной, многопрофильной структурой и вследствие этого имеет распределенную иерархическую систему управления. Кроме того, предприятия, отделения и административные офисы, входящие в корпорацию, как правило, расположены на достаточном удалении друг от друга, но должны иметь быстрый доступ к информации по всей компании. В условиях жесткой конкуренции борьбы в любом секторе рынка выигрывает, в конечном счете, та фирма, сотрудники которой могут быстро и правильно ответить на любой вопрос клиента. В наше время любая компания, независимо от ее размеров, просто немыслима без данных, представленных в электронном виде - баз данных клиентов, товаров, счетов, финансовых операций и многое другое. Для централизованного управления таким объединением предприятий, обеспечения совместного использования ресурсов и предоставления доступа к программам, оборудованию и особенно данным любому пользователю сети, независимо от физического расположения ресурса и пользователя, развертывается корпоративная сеть.

Таким образом, успешная работа многих организаций и компаний сегодня напрямую зависит от средств коммуникаций. Корпоративная сеть становится важнейшим информационным ресурсом предприятия.

Задача развертывания корпоративной сети имеет свои проблемы. Эти проблемы в основном связаны с организацией эффективного взаимодействия отдельных частей распределенной системы. Для выполнения взаимодействия необходимо объединить вместе различные и часто несовместимые (неоднородные) сети. Неоднородной называется сеть, в различных соединениях которой могут использоваться различные среды передачи данных, протоколы, операционные системы и приложения от множества различных поставщиков, работающие как единое целое. Неоднородность сетей включает несколько аспектов: в разных сетях - разная длина пакетов, разная скорость передачи данных, зависящая от качества канала и нагрузки в сетях, разная уровневая принадлежность к функциональным возможностям (уровни модели OSI), разная топология, разное программное обеспечение. Все функции по объединению и согласованию выполняются в центрах сопряжения (ЦС) неоднородных сетей разного уровня и назначения - мостов, коммутаторов, маршрутизаторов и шлюзов -обеспечивающих сопряжение и необходимое преобразование в терминах, как аппаратуры, так и программного обеспечения. Можно сказать, что перечисленное активное сетевое оборудование, является основой построения больших корпоративных сетей и определяет ее распределенность и топологию.

ЦС корпоративной сети выполняются в виде многопроцессорных много портовых устройств, так как, выполняя основную функцию сопряжения нескольких разнородных сетей, вынуждены обрабатывать большие потоки информации (нагрузка на ЦС суммируется), что приводит к необходимости распараллеливания во времени функций и обработки поступающих на его вход пакетов. Основное достоинство параллельных систем заключается в том, что они могут динамически настаиваться под конкретные внешние условия, в частности, за счет перераспределения своей мощности в зависимости от приоритета решаемых задач.

Разнообразие названных групп ЦС и архитектурных решений внутри каждой группы говорит о том, что проектировщики и администраторы корпоративных сетей не имеют четкого представления о том, как выбрать то или иное ЦС под конкретные условия. В основном исходят из сообразительности цены или количества портов ввода-вывода. Если компания не ограничена в средствах, то при подключении сети нового филиала компании или развертывании частной глобальной сети, объединяющей филиалы, разбросанные на тысячи километров по всей стране, закупается и устанавливается самое мощное оборудование сопряжения сетей, имеющееся на современном рынке. В действительности же, центры сопряжения оказываются загруженным на 10 20 %, и даже в ближайшей перспективе не видно признаков к повышению нагрузки. Но если через какое-то время встает задача объединения с другой мощной сетью, то неиспользованной производительности и интеллектуальных функций уже не хватает. Поэтому «слепое» приобретение все новых и новых серверов, систем хранения, станций, центров сопряжения должно смениться обоснованным выбором интеллектуальных решений, которые должны стать ключом к оптимизации и сокращению затрат на приобретение нового оборудования. Это должны быть абсолютно новые решения, позволяющие повысить отдачу от уже сделанных инвестиций, т.е. архитектура многопроцессорного ЦС должна быть динамически настраиваема в зависимости от степени неоднородности взаимодействующих сетей и иметь оптимальную конфигурацию, достаточную для обеспечения необходимого качества обслуживания.

Корпорация Cisco, которая активно занимается разработкой и тестированием межсетевого оборудования, особенно коммутаторами, в 2002 г. объявила о начале работы над концепцией обобщенного ЦС, способного настроиться на любые внешние условия. Однако, анализ специальной современной литературы пока не дает информации о полученных в этом направлении результатов.

Таким образом, при построении корпоративной сети, а также на этапах настройки, доводки и модернизации сети комплексирование готовых аппаратных решений межсетевого взаимодействия требует методики, обеспечивающей направленное формирование облика ЦС с заданным набором свойств. Определение заданного набора свойств потребует разработки соответствующих принципов, методов и средств (моделей, расчетных методик) оценивания характеристик ЦС на предмет соответствия требуемому качеству обслуживания при заданном либо прогнозируемом трафике.

В результате, объединение в единую интегрированную систему разрозненных информационных ресурсов корпоративной сети актуализирует разработку принципов, эффективных методов, средств и методики построения центров сопряжения разного уровня и назначения.

Трудности создания ЦС корпоративных сетей, заключаются в том, что практически отсутствует возможность использования физических моделей и натурного эксперимента при их разработке. Поэтому особое значение при проектировании приобретают математическое моделирование и вычислительный эксперимент на модели [25, 51, 60, 99, 134,142,].

По вопросам моделирования сетей и ее элементов опубликовано большое число работ, среди которых отметим работы В.А. Богатырева, А.В. Бухрименко, JI.E. Варакина, В.М. Вишневского, В.А. Ершова, Г.П. Захарова, А.П. Кулешова, О.И. Кутузова, В.Г. Лазарева, В.В. Лохмотко, И.А. Мизина, Ю.Г. Поляка, Б.Я. Советова, С.А. Яковлева, Л. Клейнрока, Д. Мартина, М. Фишера, М. Шварца.

Разработка теории математического обеспечения моделирования сложных систем, которыми являются МУ, осуществлялась с использованием результатов исследований Г.П. Башарина, В.М. Вишневского, Б.В. Гнеденко, И.Н. Коваленко, О.И Кутузова, В.А. Костенко, А.Н. Назарова, А.Я. Городецкого, В. Столлингса, К Вейцмана.

Работы этих ученых и ряда других составляют теоретическую базу моделирования сетей и ее элементов. Это научное направление находится в состоянии постоянного развития.

Математической базой методологии структурно-функционадьного анализа мультипроцессорных систем, какими являются центры сопряжения стали сети массового обслуживания - СеМО. Стохастический характер поступления данных и детерминированная обработка их в центрах сопряжения предопределяют использование моделей теории МО для анализа и проектирования ЦС.

Модели сетей МО применяются для анализа характеристик протоколов практически всех уровней (в первую очередь второго, третьего и четвертого). На канальном уровне эти модели используются для определения эффективности скорости передачи данных (многочисленные работы по исследованию протоколов канального уровня подробно представлены, например в [5, 11, 57]). При анализе сквозных протоколов модели теории сетей МО позволяют находить межконцевую задержку сообщений (пакетов), определять параметры управления потоком и т.д. Сетевые модели отдельных компонент компьютерных сетей адекватно отражают многоэтапный процесс обработки кадров (пакетов) в этих устройствах, позволяя не только рассчитывать характеристики, но и осуществлять выбор различных параметров, например объемов буферной памяти сетевого узла. В то же время необходимость решения оптимизационных задач требует применения упрощенных моделей сетей МО, позволяющих находить явный вид целевой функции, в качестве которой используется время задержки кадра (пакета).

Предположением, необходимым для возможности использования аналитических моделей сетей МО, является предположение о независимости [29], суть которого состоит в том, что времена передачи сообщений (пакета) по разным каналам связи предполагаются независимыми случайными величинами. В то же время очевидно, что длительности обслуживания сообщения в разных каналах пропорциональны длине этого сообщения и, следовательно, зависимы. Дополнительные зависимости вносятся процессами согласования скоростей неоднородных сетей, сборки и разборки сообщений на пакеты.

Модели СМО (как и любые математические модели) не в состоянии полностью отразить сложные и многообразные информационные процессы в компьютерных сетях и, кроме того, их использование обусловлено рядом предположений (таких как предположение о независимости). Однако, как показывает опыт проектирования и измерений реальных сетей, они являются достаточно точным и практически единственным хорошо разработанным математическим аппаратом, позволяющим осуществлять выбор альтернативных вариантов, расчета и оптимизацию характеристик на этапе проектирования ЦС.

Наиболее разработана теория экспоненциальных СеМО. Разработаны практические формы расчета ВВХ экспоненциальных СеМО. Экспоненциальность, однако, довольно сильное ограничение. Поэтому для анализа СеМО используют и алгоритмические методы, реализуемые с помощью имитационных моделей.

Как правило, под имитационной моделью понимается специальный программный комплекс, который позволяет имитировать деятельность какого-либо сложного объекта [133]. И это действительно так. За период 1990-2005 гг. в поколении систем имитационного моделирования разработан достаточно обширный ряд специализированных пакетов [60]. Есть пакеты с имитационными моделями, воссоздающими информационные процессы, протекающие в сетях [134].

Практика, однако, показывает, что зачастую при построении моделирующих программ используют те пакеты и те языки, с которыми работают при решении и других задач. В вузах, например, широко используют Delphi, в задачах обработки данных в распределенных системах - С++, и т.п.

Использование имитационного моделирования вызвано необходимостью учета динамических и стохастических характеристик функционирования исследуемых ЦС. Возникающие при этом задачи приводят к моделям, в которых критерии и ограничения, накладываемые на параметры системы, задаются не аналитически [28, 46]. Решение задач такого типа применительно к системам со значительным числом варьируемых параметров исключительно сложно и на практике часто сводится к многократно повторяющимся циклам моделирования, анализа и оценки полученных данных, корректировки параметров.

Учитывая сказанное выше, можно сделать следующий вывод; совокупность задач по созданию ЦС, во многом определяющих жизнеспособность корпоративных сетей и соответствующих методов и моделей для оценки ВВХ ЦС корпоративных сетей представляет собой важную научную проблему, имеющую большое значение для экономики страны.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методологии синтеза и моделирования центров сопряжения неоднородных информационных сетей с заданным набором свойств.

В соответствии с указанной целью в работе поставлены, обоснованы и решены следующие задачи:

1. Обосновать и разработать принципы построения центров сопряжения, как систем, обеспечивающих взаимодействие корпоративных информационных сетей.

2. Разработать системную модель центра сопряжения, отражающую уровни и страты межсетевого взаимодействия

3. Разработать комплекс моделей процессов согласования, реализуемых в центрах сопряжения корпоративных информационных сетей.

4. Предложить систему методов и алгоритмов аналитического и имитационного моделирования функционирования центров сопряжения корпоративных информационных сетей.

5. Разработать методику структурного синтеза центра сопряжения корпоративных информационных сетей и получить экспериментальные соотношения, составляющие основу процедур выбора структуры ЦС

Объектом исследования являются центры сопряжения неоднородных сетей разных архитектурных решений и функциональных возможностей, выполненные в виде многопроцессорных вычислительных комплексов.

Предметом исследования является аналитическое и имитационное моделирование процессов функционирования центров сопряжения неоднородных сетей.

Методы исследования. Решение сформулированной в диссертационной работе проблемы анализа вероятностно-временных характеристик и методики синтеза структуры центра сопряжения неоднородных сетей, достаточной для обеспечения необходимого качества обслуживания, базируется на методах системного анализа, теории вероятности, случайных процессов и математической статистики, теории алгоритмов, сетей массового обслуживания, линейной алгебре, методах численного анализа, теории оптимизации, исследования операций и имитационного моделирования.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Принципы построения центров сопряжения как систем, обеспечивающих взаимодействие корпоративных информационных сетей.

2. Системная модель центра сопряжения, отражающая уровни и страты межсетевого взаимодействия.

3. Комплекс моделей процессов согласования, реализуемых в центрах сопряжения корпоративных информационных сетей.

4. Система методов и алгоритмов аналитического и имитационного моделирования функционирования центров сопряжения корпоративных информационных сетей.

5. Методика структурного синтеза центра сопряжения корпоративных информационных сетей и экспериментальные соотношения, составляющие основу процедур выбора структуры ЦС.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в разработке основ прикладной теории синтеза центров сопряжения корпоративных информационных сетей, базирующейся на аналитическом, аналитико-имитационном и имитационном моделировании и обеспечивающая нахождение структур центров сопряжения корпоративных информационных сетей, удовлетворяющих заданным наборам свойств.

Новые научные результаты:

1. Принципы построения центров сопряжения корпоративных информационных сетей отличаются группировкой и порядком их применения для формирования универсальной среды синтеза ЦС, что позволяет получать решения с заданными свойствами на многообразии вариантов сопряжения корпоративных информационных сетей.

2. Системная модель центра сопряжения корпоративных информационных сетей отличается выделением минимально полного набора структурных элементов, присущих всему многообразию вариантов ЦС, что позволяет обеспечить универсальность данной модели в различных задачах синтеза структуры ЦС.

3. Комплекс моделей процессов согласования, реализуемых в центрах сопряжения, отличается учетом существующих стратегий межсетевого взаимодействия, что дает возможность оценить необходимые требования к характеристикам согласования независимо от архитектуры и функциональных возможностей ЦС.

4. Система методов и алгоритмов аналитического и имитационного моделирования функционирования центров сопряжения отличается возможностью формирования пространства вероятностно-временных характеристик ЦС при различных уровнях сложности протекающих в них процессов, что позволяет исследовать варианты системотехнических решений в широком диапазоне изменения неопределенностей исходной информации о взаимодействующих сетях.

5. Методика структурного синтеза центра сопряжения корпоративных информационных сетей отличается комбинированным применением этапов автоматической генерации множества альтернативных структур ЦС на основе генетического алгоритма и «ручного» выбора предпочтительного варианта, что позволяет осуществлять многокритериальный синтез структуры ЦС в условиях близких к реальным.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается: корректностью математических выкладок, обоснованностью используемых ограничений, корректностью интерпретации в предметной области, результатами моделирования и экспериментальной проверки методов, алгоритмов и программного обеспечения, а также результатами практического использования разработанных в диссертации математических, алгоритмических и программных методов и средств.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в полученных расчетных выражениях, алгоритмах и методиках, реализующих синтез структур центров сопряжения и оценивание их функциональных характеристик. Предлагаемые аналитические, аналитико-имитационные и имитационные модели и методы могут применяться для решения конкретных задач исследования согласований неоднородных сетей и проектирования корпоративных информационных систем, а также при выборе сетевого оборудования, предназначенного для учебных заведений, государственных и коммерческих организаций.

Реализация и внедрение результатов работы.

Теоретический базис разработанных методов и моделей по оценке ВВХ и структурному синтезу центров сопряжения неоднородных сетей основан на исследованиях, результаты которых обобщены в монографии, учебных пособиях, научных статьях и в докладах на российских и международных конференциях. Часть разработанного программного обеспечения зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию (имеется 6 свидетельств об отраслевой регистрации разработок).

Тематика научных исследований, выполненных в диссертации связана с планами кафедры «Информационные управляющие системы» Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций (СПбГУТ) и с выполнявшимися в СПбГУТ в 2005-2006 гг. научно-исследовательскими работами: «Сравнительный анализ решений по созданию инфраструктуры организации доступа к услугам операторов зоновой междугородной и международной связи в условиях демонополизации рынка дальней связи на сетях ОАО «Северо-Западный Телеком» (Гос per. № 071-06-054), «Разработка корпоративных стандартов и внутрифирменной документации, ориентированной на организацию производственного процесса при внедрении новых услуг связи на базе оборудования» (Гос per. № 017-06-054).

Полученные в диссертации результаты нашли практическое применение на следующих предприятиях:

ФГУП НИИ «Масштаб», ФГУП «НПО «Импульс» и Ленинградском Военном округе при проектировании систем связи специального назначения;

Ленинградском отраслевом научно-исследовательском институте связи при проведении работ по разработке основополагающих документов развития отрасли связи «Концепция программы развития связи и информатизации Российской Федерации до 2015 г.»;

ОАО «Северо-Западный Телеком» при разработке «Концепции технического развития ОАО «Северо-Западный Телеком» на период 2003-2007 гг.»;

ОАО «Мегафон» и ОАО «ЭР-Телеком» при анализе различных вариантов построения и проектировании телекоммуникационных сетей;

ОАО «Гипросвязь СПб» при планировании работ по адаптации оборудования к требованиям заказчиков, подготовке контрактов на поставку аппаратных и программных средств центров обработки информации и сопряжения корпоративных сетей, при послепродажной поддержке оборудования; проектировании центров сопряжения корпоративных информационных сетей;

Результаты диссертационной работы, связанные с моделями согласования корпоративных сетей, нашли отражение в госбюджетной научно-исследовательской работе по теме ГБ-2/АСОИУ-17 "Модели и методы реализации информационных технологий", выполняемой на кафедре "Автоматизированные системы обработки информации и управления" по единому заказ-наряду Министерства общего и профессионального образования РФ в период с 1993-1997 гг.

Результаты, связанные с методикой структурного синтеза центров сопряжения корпоративных информационных сетей отражены в научно-исследовательских работах по грантам для молодых кандидатов наук г. Санкт-Петербурга с 2003-2005 гг.: «Разработка моделей и методики расчета характеристик коммутаторов распределенных вычислительных систем» (Шифр гранта PD03-2.0-96, 2003 г.), «Разработка метода и алгоритмов статистического моделирования межсетевых устройств матричного типа» (Шифр гранта PD04-2.0-74, 2004 г.), «Разработка процедуры оптимизации мультипроцессорных устройств сопряжения корпоративных сетей» (Шифр гранта PD05-2.0-42, 2005 г.).

Основные научные результаты диссертации используются в учебном процессе при чтении лекций, курсовом и дипломном проектировании, проведении студенческих НИР и в лабораторных работах на кафедре «Информационные управляющие системы» Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, кафедре «Морские информационные технологии» Российского государственного гидрометеорологического университета. Издано 4 учебных пособия, в том числе с рекомендациями УМО вузов по университетскому политехническому образованию, и ряд методических указаний.

Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на следующих международных, всероссийских и региональных конференциях: Межвузовской конференции «Управляющие вычислительные системы. Новые технологии», Вологда, 1999 г.; международной научно-технической конференции "Транском-99", Санкт-Петербург, 1999; Научно-методическом семинаре «Информационные сети и системы», Москва, 1999 г.; VII Международной конференции «Региональная информатика - 2000», Санкт-Петербург, 2000; VI Международной конференции по информационным сетям и системам ISINAST, Санкт-Петербург, 2-7 октября 2000 г.; II научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ «Техника и технология связи», Санкт-Петербург, 2000 г.; VII Международной конференции по информационным сетям и системам ISINAST, Санкт-Петербург, 2001 г.; Международной конференции по телекоммуникациям 1ЕЕЕЛСС2001, Санкт-Петербург, 11-15 июня 2001 г.; VIII международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки», Санкт-Петербург, 2001 г.; IV международной конференции по мягким вычислениям и измерениям, Санкт-Петербург, 2002 г.; IV всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий», 7-12 августа, г. Улан-Удэ, 2003 г.; I всероссийской научно-практическая конференция по вопросам применения имитационного моделирования в промышленности, Санкт-Петербург, 2003 г.; международной научно-технической конференции "Транском-2004", Санкт-Петербург, 2004; Международной конференции «Приборостроение в экологии и безопасности человека», 10-12 ноября 2004 г.; Санкт-Петербургской научно-практической конференции «Проблемы подготовки кадров в сфере инфокоммуникационных технологий», Санкт-Петербург, 1-3 марта 2005 г.; II всероссийской научно-практическая конференция по вопросам применения имитационного моделирования в промышленности, Санкт-Петербург, 2005 г.; Международной научно-методической конференции «Инновационные программы и их роль в повышении уровня подготовки специалистов», 16-19 октября, Санкт-Петербург, 2006 г.; кафедральных семинарах и научно-технических конференциях Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в 1997-2006 гг.; Российского государственного гидрометеорологического университета в 2002-2006 гг.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 48 научных работ: 1 монография, 1 депонированная рукопись, 32 статьи, из которых 10 — из перечня ведущих рецензируемых журналов и изданий, определенных ВАК Минобрнауки РФ, 14 в материалах российских и международных научно-технических конференций. Зарегистрировано 5 программ для ЭВМ в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, двух приложений и списка литературы, включающего 151 наименование. Основная часть работы изложена на 260 страницах машинописного текста. Работа содержит 153 рисунка и 21 таблицу.

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1) Теоретико-метологические основы структурного синтеза центров сопряжения корпоративных информационных сетей. В этом направлении разработаны:

Принципы построения центров сопряжения неоднородных информационных корпоративных сетей, включающие описания:

• сопряжения на системном, функциональном, информационном и аппаратном уровнях,

• источников и типов неоднородностей взаимодействующих сетей,

• анализа и классификации типов трафика и требований к качеству его обслуживания,

• структурно-функционального анализа проектных вариантов центров сопряжения.

- Системная модель, представляющая универсальный центр сопряжения как мультипроцессорную параллельную систему, состоящую из структурно-функциональных модулей, обеспечивающих требуемую функциональную полноту. Модель отражает многоэтапность и многофункциональность процессов обслуживания и согласования.

- Аналитические и имитационные модели процессов согласования форматов пакетов, скоростей и буферных емкостей, реализуемых в ЦС неоднородных информационных сетей.

- Аналитические и ускоренные имитационные методы анализа предложенных моделей, описывающих процессы функционирования ЦС.

2) Инструментальные средства:

- Комплекс методов и алгоритмов по расчету дифференциальных и системных характеристик центров сопряжения корпоративной сети, распространяющийся на различные группы и типы ЦС.

- Алгоритм последовательного распределения общих информационных ресурсов ЦС по секциям оперативной памяти, основанный на принципе оптимальности Белмана и позволяющий получить матрицу распределения информационных ресурсов.

- Методика структурного синтеза центра сопряжения корпоративных информационных сетей, основанная на комбинированном применении этапов автоматической генерации множества альтернативных структур ЦС на базе генетического алгоритма и «ручного» выбора предпочтительного варианта, что позволяет осуществлять многокритериальный синтез структуры ЦС в условиях близких к реальным.

3) Экспериментальные и прикладные результаты:

Базовое программное обеспечение, позволяющее синтезировать модель центра сопряжения любой структуры и функционального назначения для проведения натурных экспериментов с исследуемой моделью.

Экспериментальные соотношения вероятностно-временных характеристик, отражающие зависимость от различных внешних и внутренних влияющих факторов, доказывающие правомерность и эффективность предложенных методов, алгоритмов и методик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках диссертационной работы проведено теоретическое обобщение и получено решение важной научно-технической проблемы создания методологической базы, методов, моделей и алгоритмов, обеспечивающих системный анализ и структурный синтез центров сопряжения корпоративных информационных сетей

1. Авен О. И., Турин Н. Н., Коган Я. А. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. - М.: Наука, 1992. - 464 с.

2. А. Архипов, Ю. Голованов, "Ками-Север" Интернет как основа для создания ГИС» Журнал «ИнфоБизнес» Издательский дом «КОМПЬЮТЕРРА», 2005.

3. Е.Н. Бендерская, Д.Н. Колесников и др. Моделирование систем с использованием теории массового обслуживания. Учебное пособие под ред. д.т.н. Д.Н. Колесникова. СПб.: СПб ГПУ, 2003. 180 с.

4. Д. Бертсекас, Р. Галлагер Сети передачи данных. М.: Мир, 1989. - 544 с.

5. Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты и интерфейсы / Пер. с англ. -М.: Мир , 1990.-506 с.

6. Богуславский Л. Б., Дрожжинов В. И. Основы построения вычислительных сетей для автоматизированных систем. М.: Энергоатомиздат, 1990 . - 256 с.

7. П.П. Бочаров Сеть массового обслуживания с сигналами со случайной задержкой/УАвтоматика и телемеханика. 2002. - №9. - С.90-101

8. В.Л. Бройдо Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. Учебник для вузов. СПб.: Питер, 2002г.- 688 с.

9. С.А. Буженков, Е.А. Ракитина Моделирование и формализация. Методическое пособие. -М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. 336 с.

10. Венскаускас К. К., Малахов Л. М. Основные технико-экономические характеристики передачи данных и сетей ЭВМ. М.: ЦНТИ , 1987. - 63 с.

11. К. Вейцман Распределенные системы мини- и микро-ЭВМ/Пер. с англ. -М.: Финансы и статистика, 1983.-382 с.

12. В.М. Вишневский Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. М.: Техносфера, 2003. 512 с.

13. В.В. Воеводин, Вл. В. Воеводин Параллельные вычисления. СПб.: БХВ, 2002. 608 с.

14. Вычислительные машины, системы и сети: Учебник/А.П. Пятибратов, С.Н Беляев и др. М.: Финансы и статистика, 1991. - 400 с.

15. Гаскаров Д.В., Истомин Е.П., Кутузов О.И. Сетевые модели распределенных автоматизированных систем.- СПб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 1998. 353 с.

16. Б.В. Гнеденко, И.Н. Коваленко Введение в теорию массового обслуживания. -М.: Наука, 1987. -336 с.

17. В. Г. Горбачев ИнМета инструментальный ГИС-комплекс для создания территориальных информационных систем масштаба города, региона// Бизнес и ГИС (www.integro.ru), Уфа. 2005.

18. А .Я. Городецкий, B.C. Заборовский Информатика. Фрактальные процессы в компьютерных сетях. Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000, 102 с.

19. О.Н. Граничин Введение в методы стохастической оптимизации и оценивания: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 2003. - 131 с.

20. А.Ф. Григорьев, П.Д. Кужелев Геоинформационная система — сетевой вариант. Московский государственный университет геодезии и картографии, Москва, 2005

21. М. Гук Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия- СПб.: Питер, 2000 г.- 576 с.

22. А.В. Давыдов, B.C. Шиндер "Геоинформационные технологии в Internet" Журнал «СЮ» Издательский дом «КОМПЬЮТЕРРА», 2005 г.

23. Т.С. Довженок Инвариантность стационарного распределения сетей с обходами и «отрицательными» заявками//Автоматика и телемеханика. №9,2002.

24. В. Дубинин Проектирование и реализация распределенных систем на основе ЛВС. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пензенский государственный университет, 2005

25. В.П. Евдокимов, В.И. Маловицкий, Ю.А. Семинишин и др. Моделирование систем сбора и обработки данных. М.: Наука, 1983. -128 с.

26. Н.В. Ефанов Динамически настраиваемая среда на основе технологии NGIO

27. JI. Кассел, Р. Остинг Компьютерные сети и открытые системы. М.: Техносфера, 2003. 592 с

28. В. Кельтин, А. Лоу Имитационное моделирование. Пер. с англ. СПб.: Изд-во Питер; Киев: Изд. группа БХВ, 2004. - 847 с.

29. Л. Клейнрок Вычислительные системы с очередями: Пер. с англ. М.:Мир, 1979.-600 с.

30. Джоэл Коновер Парад коммутаторов Gigabit Ethernet/VCera и системы связи. №1, 2005. С. 28-40.

31. Джоэл Коновер Коммутация на четвертом уровне. Что под этим подразумевают производители ?//Сети и системы связи. №11,2002. С. 47-51.

32. Джоэл Коновер Шесть проектов корпоративной сети АТМ//Сети и системы связи. №3 (37), 2003. С. 54-65.

33. А.И. Кормильцев Как построить оптимальную систему хранения данных//Сети и системы связи. №11, 2002. С. 52-58.

34. В.В. Корнеев, А.В. Киселев Современные микропроцессоры. М.: НОЛИДЖ, 2000. 240 с.

35. В.А. Костенко Принцип построения генетических алгоритмов и их использование для решения задач оптимизации// Программирование, 2002.

36. В.А. Костенко, Р.Л. Смелянский, А.Г. Трекин Синтез структур вычислительных систем реального времени с использованием генетических алгоритмов//Программирование, 2000.

37. В.А. Костенко, А.Г. Трекин Формализация задачи синтеза архитектур и ее особенности// Программирование, 1999.

38. В.А. Костенко, В.Г. Романов, Р.Л. Смелянский Алгоритмы минимизации аппаратных ресурсов ВС//Труды третьей Международной научной конференции «Дискретные модели в теории управляющих систем». М.: Диалог МГУ, 1998. с. 53-58.

39. В.В. Крухмалев, В.Н. Гордиенко, А.Д. Моченов, В.И. Иванов, В.А. Бурдин, А.В. Крыжановский, J1.A. Марыкова Основы построения телекоммуникационных систем и сетей. М.: Горячая линия - Телеком, 2004.-510 с.

40. В.А. Крюков Коммуникации в распределенных системах Лаборатория Параллельных Информационных Технологий, НИВЦ МГУ на сайте http://www.mpi-forum.org.

41. Кульчин Технологии корпоративных сетей. СПб: Издательство «Питер», 2000 704 с.

42. Дж. Куроуз, К.Росс Компьютерные сети. СПб.: Питер, 2004. 765 с.

43. О.И. Кутузов Методы и модели ускоренной имитации в задачах разработки сетей интегрального обслуживания АСУ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Санкт-Петербург, 1996.

44. О.И. Кутузов, В.И. Задорожный, С.И. Олзоева Имитационное моделирование сетей массового обслуживания: Учебное пособие. Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2001 - 228 с.

45. Лазарев В.Г. Интеллектуальные цифровые сети: Справочник/Под ред. академика Н.А. Кузнецова. -М.: Финансы и статистика, 1996. -224 с.

46. Б.Я. Лихтциндер, М.А. Кузякин, А.В. Росляков, С.М. Фомичев Интеллектуальные сети связи. — М.: Эко-трендз, 2000

47. Д. Мартин, К. Чапмен, Д. Либен ATM. Архитектура и реализация. М.: Изд-во «Дори», 2000. - 213 с.

48. О. Мельник Геоинформационные системы: частные и корпоративные применения// Журнал «ИнфоБизнес» Издательский дом «КОМПЬЮТЕРРА», 2002

49. А.Н. Назаров Модели и методы расчета структурно-сетевых параметров52.