автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Оптимизация маршрутизации информационных потоков при проектировании общероссийской сети телекоммуникаций

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Московский государственный институт электроники и математики ( технический университет)

На правах рукописи УДК 621. 391.037. 372

Куракин Дмитрий Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ МАРШРУТИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОБЩЕРОССИЙСКОЙ СЕТИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (в промышленности)

Специальность 05.13.13 - Вычислительные машины, комплексы, системы и сети

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических

наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Центре информатизации Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации и Российском научно - исследовательском институте информационных систем

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор А. Я. Олейников

Доктор технических наук, профессор Г. М. Петров

Доктор технических наук, профессор О. Н. Перминов

---------Ведущее предприятие: Российский научный центр

("Курчатовский институт'')

Защита состоится года в на заседании

специализированного совета Д.063.068.03 в Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете) по адресу: 109028, Москва, Трехсвятительский переулок, 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ

Автореферат разослан "_"_1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета

ДО.Л.Ижванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Концепция развития сети телекоммуникаций в системе высшего образования Российской Федерации, утвержденная Государственным комитетом Российской Федерации по высшему образованию в 1994 году, поставила вопрос о необходимости создания полноценной телекоммуникационной сети высшей школы России, которая объединит ВУЗ-ы и другие образовательные организации в единое информационное пространство и обеспечит их информационную интеграцию в мировую вузовскую систему.

Основными предпосылками, определяющими

необходимость создания единой сети телекоммуникаций, являются следующие обстоятельства:

- система общего и профессионального образования России по количеству учебных заведений, студентов, школьников, преподавателей и ученых относится к числу самых крупных образовательных систем мира;

— специфика деятельности системы образования, а также значительная территориальная разобщенность учебных заведений России вызывают необходимость широкого и оперативного обмена научной, образовательной, методической, деловой, нормативной и административной информацией.

Из анализа сложившейся в России ситуации следует, что информатизация образования и, в первую очередь, создание единой сети телекоммуникаций в системе образования - один из центральных экономических, социальных и политических вопросов нашей страны. Для сохранения и поддержки

высокого научно-образовательного потенциала российской высшей школы необходимо на основе современных информационных технологий обеспечить студентам, профессорско-преподавательскому составу, лицам, проходящим переподготовку, школьникам старших классов широкий и открытый доступ к накопленным в России и за рубежом информационным ресурсам.

Технические и организационные трудности в создании единой телекоммуникационной сети общего и профессионального образования России связаны с тем, что полноценная сеть требует включения в нее всего парка разнородных ЭВМ и локальных гетерогенных сетей, которые часто являются несовместимыми. Поэтому важнейшей задачей является внедрение в практику использования отечественных и международных стандартов, обеспечивающих физическую, программную и эксплуатационную совместимость средств вычислительной техники.

В настоящее время после объединения Госкомвуза России и Минобразования России в единое Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации актуальность в проектировании эффективной сети телекоммуникаций, охватывающей всю территорию России, еще более возросла. Эффективность сети определяется правильной организацией маршрутизации информационных потоков, осуществляемой в узлах связи глобальной сети.

При этом следует иметь в виду, что совершенно невозможно (особенно в нашей стране с се огромной географической протяженностью и неоднородностью используемой вычислительной техники) построить универсальную есть на основе одной аппаратной технологии.

Это связано также и с тем, что при построении сетей is каждом конкретном случае решаются различные функциональные и технические задачи.

Актуальноеть избранной темы . Быстро меняющаяся жизнь в России, коренные преобразования, происходящие в нашей стране, характерны развитием демократичности и открытости общества, желанием и возможностями людей коммуницировать друг с другом, использовать нее информационное богатство, хранящееся в мировых сетях телекоммуникации. В настоящее время в России происходит бурный процесс развития информационных технологий, проектирования и внедрения компьютерных телекоммуникационных сетей. Одни сети имеют глобальный характер и топологию, другие являются корпоративными и локальными. Характер роста указанных сетей является весьма стохасшчным, база средств вычислительной техники, на которой они строятся, гетерогепна. Вместе с тем данные сети имеют мощную тенденцию к объединению, образуя в конечном итоге интегрированную сеть, органично входящую в мировую сеть internet. Недостаток финансирования проектов создания сетей со стороны государственных органов, ограниченность собственных средств, необходимых для создания единой интегрированной высокоскоростной среды, пока не позволяют создать мощную основу для развития крупной сети национального масштаба (хотя работы в этом направлении проводятся). Вместе с тем надо быть готовым к решению задачи повышения эффективности функционирования макросета России, которая все четче обретает спои контуры. Интеграция сетей обеспечивается, как правило, соблюдением известных протоколов семейства TCP/IP или принятых в ISO международных стандартов на взаимосвязь

открытых систем ОБ!. Причем соединение составных частей сети обеспечивается внешними интерфейсами, а внутренние алгоритмы, обеспечивающие, например, маршрутизацию информационных потоков, являются для пользователей "черными ящиками". В этой связи для России имеется опасность превратиться в потребителя телекоммуникационных услуг, зависимого от поставляемой зарубежной техники и, в конечном итоге, от диктата развитых в промышленном отношении стран. Поэтому необходимо изучать те сложные алгоритмы, которые заложены в закупаемых маршрутизаторах, создавать и реализовывать отечественные протоколы взаимодействия и стандарты на взаимосвязь открытых систем, отражающие специфику России и обеспечивающие защищенность национальной сети, с одной стороны, а, с другой стороны, соответствующие международным стандартам. И здесь чрезвычайно актуальными являются работы по решению задач оптимизации маршрутизации информационных потоков при проектировании глобальных сетей телекоммуникаций национального масштаба, например, такой как Национальная сеть компьютерных телекоммуникаций для науки и высшей школы (разработчики Министерство науки и технологий РФ, Министерство общего и профессионального образования РФ, Российская академия наук, Российский фонд фундаментальных исследований) или сеть, которая определена Указом Президента Российской Федерации от 30 июля 1996 г. N 1Ш "О мерах по созданию космической телекоммуникационной системы Российской Федерации". Причем критериями оптимизации при проектировании могут выступать многие параметры (или их сочетание) - кратчайший путь до места назначения, время

прохождения пакетов, стоимость доставки, отсутствие петель, надежность и т.д.

В России имеется настоятельная необходимость в разработке эффективных протоколов маршрутизации, принятых в качестве государственных стандартов России, методов беспетлеиой маршрутизации, действенных алгоритмов управления информационными потоками, реализованными в глобальной сети. Необходимо разработать и внедрить в народное хозяйство страны государственный профиль взаимосвязи открытых систем России, на базе которого на уровне Правительства России осуществлялась бы единая национальная политика в области информационных технологий и, в частности, обеспечивались оптимальные закупки средств вычислительной техники за рубежом для федеральных нужд. В данном случае стандарт, как нормативно-технический документ, должен выступать доминирующим инструментом при проектировании общероссийской сети телекоммуникации.

Существенным при проектировании сетей должно быть то, что разработанные подходы по управлению маршрутизацией ■информационных потоков должны быть унифицированными и применимыми в практике всего мирового телекоммуникационного сообщества.

Цель работы . Требуется сформировать и теоретически обосновать новые научно-технические положения организации процесса оптимальной маршрутизации информационных потоков при проектировании глобальных и региональных сетей, являющиеся унифицированными для всех классов сетей.

Задачи исследования.

Необходимо на основе разработанных в работе методов и алгоритмов управления потоками в проектируемых сетях, сформировать российские стандарты и протоколы взаимосвязи открытых систем и внедрить их на практике в отраслевой федеральной компьютерной сети Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации. Для обеспечения единой политики государства в области развития и внедрения новых информационных технологий требуется разработать коммуникационные профили по функциям маршрутизации, коммутации и ретрансляции для включения их в Государственный профиль взаимосвязи открытых систем России.

Методы исследования. Результаты основаны на использовании теории массового обслуживания, марковских процессов, методах математического моделирования, теории гиббсовских состояний иа счетных множествах.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в:

разработке методологических и теоретических основ оптимальной маршрутизации информационных потоков в глобальных и локальных сетях, являющихся унифицированными для телекоммуникационных сетей различных классов;

- разрабогке основ маршрутизации, отечественных протоколов и стандартов на взаимосвязь открытых систем;

- создании единого методологического подхода в развитии критических (информационных) технологий федерального уровня в России, утвержденных Правительственной комиссией по научно-технической политике N 2728 п - П8 от 21 июля 1996 г.

Практнчес к aя_Jшaчимo£IЬ. Основным практическим итогом диссертационной работы является разработка комплекса нормативно-технических документов в виде российских и международных стандартов, применение которых обеспечивает свободную и эффективную маршрутизацию потоков сообщений в глобальных гетерогенных сетях, что особенно критично для России, имеющей огромную территорию.

Практическая ценность отдельных результатов работы заключается:

- в разработке методов применения оптимального правила предоставления общих сетевых ресурсов, разделения информационных потоков в узлах сети и улучшения качественных характеристик сетей;

разработке алгоритмов оптимального распределения информационных потоков;

- проектировании типовых структур региональных сегей телекоммуникаций;

- проектировании национальной и отраслевой (Минобразования России) сетей телекоммуникаций;

- разработке коммуникационных профилей по функциям маршрутизации, коммутации и ретрансляции для включения их в Государственный профиль взаимосвязи открытых систем России.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое использование в федеральной университетской компьютерной сети России ЯиЫКс!, сети кЕЬАГШ-ГР и ряде ведомственных локальных сетей. Разработанные и утвержденные государственные стандарты России по протоколу обмена маршрутной информацией оконечной системы, методам передачи и интерфейсам внедрены

на всей территории России. Разработанные проекты ГОСТ на основы маршрутизации и протокол обмена межрегиональной маршрутной информацией являются базовыми документами для организации процедуры взаимосвязи открытых систем.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференции Ассоциации научных и учебных организаций-пользователей сетей передачи данных КЕЬА1Ш (Москва, 1994 г.), совещании-семинаре "Современные средства интеллектуальных САПР (Москва, 1993 г.), научно-технической конференции "Перспективные информационные технологии в высшей школе" (Самара, 1993 т.), Международной научно-методической конференции "Новые информационные технологии в университетском образовании" (Новосибирск, 1995 г.), Всероссийской научно-методической конференции "Телематика-95" (Санкт-Петербург, 1995 г.), Третьей международной студенческой школе-семинаре "Новые информационные технологии" (Крым, 1995 г.), Международной конференции по дистанционному обучению (Москва, 1995 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Перспективные

информационные технологии в высшей школе (Тамбов, 1995 г.), Второй конференции Ассоциации научных и учебных организаций-пользователей сетей передачи данных - "ШЗЬАЮЯ" (Москва, 1995 г.), Второй международной студенческой школе-семинаре (Крым, 1994 г.), Всероссийской научно-методической конференции "Телематика-96"(Санкт-Петсрбург, 1996 г.), Всероссийской научно-методической конференции "Телематика-97"(Санкт-Г1етербург, 1997 г.), Пятой международной студенческой школе-семинаре "Новые информационные

технологии" (Крым, 1997 г.) и ряде других научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях.

Публикации. Научные и практические результаты диссертационной работы отражены в более чем 40 печатных работах. Основные положения диссертации опубликованы в ведущих периодических научно-технических изданиях, указанных в Положении и инструкции ВАК.

И как тог, в самой диссертационной работе на основе проведенных исследований в области проектирования глобальных и локальных сетей телекоммуникаций осуществлено теоретическое обобщение и решение крупной научно-технической проблемы, имеющей важной народно-хозяйственное зггачетше, позволившее создать комплекс методологического, алгоритмического, стандартизационного, протокольного и программного обеспечения процессов маршрутизации информационных потоков. Использование разработанных методов и средств позволит существенно повысить качество функционирования сетей и снизить сроки их проектирования.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 490 страницах, 49 рисунков, 11 таблиц, списка литературы и приложений.

Аетор_за1Щпцаст:

1. Метод применения оптимального правила предоставления общих сетевых ресурсов.

2. Методы улучшения характеристик локальных вычислительных сетей.

3. Алгоритмы и методы оптимального распределения

информационных потоков в узлах сети.

4. Доказательство возможности использования теории

гиббсовских состояний на счетных множествах для анализа и

исследования сетей телекоммуникаций.

5. Метод беснетлевой маршрутизации, использующего алгоритм диффузионных расчетов.

6. Результаты разработки протоколов маршрутизации и обмена межрегиональной маршрутной информацией между промежуточными системами.

7. Результаты исследований протокольных реализаций и способы их тестирования.

8. Результаты проектирования региональных, отраслевых и национальной сетей телекоммуникаций.

9. Схему Государственного профиля взаимосвязи открытых систем России по функциям маршрутизации, коммутации и ретрансляции.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы, приводится краткая характеристика работы, изложены ее основные научные результаты и практическая значимость.

В первой главе рассматриваются теоретические аспекты разработки методов и алгоритмов управления информационными потоками в сетях телекоммуникаций, проектируемых на базе стандартов взаимосвязи открытых систем. Результаты получены при использовании теории массового обслуживания, марковских процессов и гиббсовских состояний на счетных множествах.

Представлена разработка метода применения оптимального правила предоставления общих сетевых ресурсов (алгоритм оптимальной диспетчеризации), применение которого

повышает качество функционирования сети. В работе развиты идеи и нашли практическое применение сформулированные учеными Р. Беллмаиом, X. Майном' и С. Осаки теоретические положения, основанные ría цепях Маркова. Как результат, делается вывод, что правилом разрешения конфликтов Ro, когда на один ресурс претендует несколько процессов, является правило, в соответствии с которым при возникновении конфликта ресурс предоставляется конфликтующему процессу, имеющему минимальную вероятность попадания в активное состояние, Данный результат имеет следующий физический смысл: при возникновении конфликта следует отдавать предпочтение тому из конфликтующих процессов, который реже вступает в конфликт с другими процессами. В качестве оптимального правила в работе выбрано правило, минимизирующее среднюю частоту конфликтов.

Критерий оптимизации имеет вид:

TR(S,K)= lim ^¿A/sRx(S(. К)-> rain,

^ ¡.о

г де: M | - математическое ожидание при начальном состоянии SeL;

R - правило разрешения конфликтов;

S' - текущее состояние совокупности процессов;

X(S,K)=|''^ е ^ - характеристическая функция;

К - множество состояний в пространстве L, для которого по крайней мере две координаты равны Ai;

L=LíxL2х...х Ln - пространство, в котором содержится п-мерная цель Маркова.

Для двух параллельных процессов (п~2) и нескольких неделимых ресурсов (г = 0 - т) конфликтное множество имеет вид

К={8еЬ, =А'Г л82=А^, 1 < г < т} Оценивая эффективность правила аналитически, приводится выражение для средней частоты конфликтов при применении оптимального правила:

ЕР/Р2 /[' - хпт(Р1'Р1г)|

1 +УР,'?,2 /[^1 - 1п1п(Р1| Р')|

Выражение для средней частоты конфликтов, когда на ресурс с равной вероятностью предоставляется тому или иному процессу, определено как

2Р'Р*

К)=

I

~2-Р,' - Р,2

т 2Р'Р2

1 2 - Р/ ~Р;

Доказано, что применение оптимального правила для разрешения конфликтов в локальных вычислительных сетях с топологией ЕШетй вдвое снижает частоту конфликтов по сравнению с применяемыми в настоящее время методами. Представлена программа, реализующаяся в виде модуля операционной системы Мег\Уаге 3.11.

Проведено исследование аналитическими средствами различных моделей локальных вычислительных сетей. Рассчитаны их характеристики: вероятности занятости канала, средние скорости обслуживания заявок, средние производительности сегей, пропускная способность, среднее время пребывания заявок в системе, вероятности потери пакетов, коэффициенты загрузки станции и общего канала. Полученные результаты являются базой для нахождения путей улучшения характеристик сетей.

Учитывая то, что основой отраслевой сети ГШКМс! является спутниковые каналы связи, исследуется модель

указанной сети с протоколом случайного доступа и даются рекомендации по оптимизации информационного обмена. Показано, что разработанный способ управления доступом абонентов к ресурсам каналов, заключающийся в применении комбинированного способа управления, на 13 % снижает потери пакетов по сравнению с применяемыми в настоящее время дисциплинами доступа.

Для оптимизации прохождения информационных потоков в сети предложен детерминированный метод их разделения. Осуществлена экспериментальная проверка предложенного алгоритма оптимизации. Показано, что разработанная процедура позволяет сократить на 40 % задержки пакетов в сети по сравнению с вероятностной процедурой разделения шкетов, а также во многом предпочтительней процедуры Юма (статический метод маршрутизации).

Далее, развивая идеи оптимального распределения потоков, решается задача минимизация общей задержки пакетов сообщений и установления оптимального маршрута прохождения сообщений.

Рассмотрен фиксированный алгоритм маршрутизации и предположено, что топология сети и пропускная способность каналов известны.

Время задержки выражается формулой

Т = £ !__) .

Й U V//Ct -XJ

где

Лк = IX -интенсивность потока в к-ом канале;

m - число каналов;

и - суммарная скорость поступления сообщений; Ск - пропускная способность к -го канала;

— - средняя длина сообщений (в битах.). М

Используя метод неопределенных множителей Лагранжа, определяется функция в виде

Г ^

7! Х--'

и

S 2 Ys,, Л Ла'Л

.0=1

KeS„

где у ^ - множитель Лагранжа.

Для поиска оптимума дифференцируется приведенное

выражение и приравнивается к нулю.

г ^ ^

1

V I.J-I.KJ "

"'.¿1_

и

НС-Х.Ъ

где

О, С С ли Г <£ S -

I | 1, если

Приведя к общему знаменателю, получаем систему уравнений:

(¿/С -2Х)+- ¿Л Еч е &.) = <>,

.,1-1 tri V ч»1 У S„

где ¡й,'Р = 1,н; /- — 1,/л; 2 Я,-» - Л,, : '>7=1,«

Данная система квадратных уравнений решается относительно Я^ при применении численного метода (метод Ньютона). Данная процедура реализуется в узле сети. Приведена

программа расчета на языке СИ++, которая инкапсулируется в программу, реализуемую маршрутизатором.

Представлены результаты анализа адаптивного децентрализованного, гибридного и иерархического алгоритмов маршрутизации, даны рекомендации по их применению.

Решена задача выбора времени отправления квитанций с оптимальным упреждением момента начала блокировки пакетов из-за отсутствия мест в буферной памяти.

При использованием теории марковских процессов принятия решений применительно к глобальным сетям найдена оптимальная стратегия доступа к цифровым сетям интегрального обслуживания. Приведен алгоритм расчета.

Основополагающим в теории массового обслуживания является аппарат теории марковских процессов. Вместе с тем имеегся возможность дальнейшего развития теоретических работ в направлении анализа н исследования функционирования сетей. В диссертации доказана возможность использования теории гиббсовских состояний на счетных множествах, разработанной для описания биологических полей, применительно к ■информационно-вычислительным системам. Для марковских полей выполняется равенство

£/7((ЛПЙ*)ил-и В)

/1( Ли .у) _ Рслкаих)___

В сЛЦлиг/

т.е. вероятность занятости точки х (интерпретирующейся

как узел сети), если известна конфигурация частиц на Л\ х,

зависит только от того, что происходит с соседями х.

Для гиббсовских состояний выполняется равенство

МЛЦл) //((ЛГШЩ.т)

р(А0Х)+/1(Л) ¿и((/т<2х)их+р(лпах) '

т.е. условная вероятность того, что конфигурация содержит' х при условии, что на Л\ л конфигурация равна А, совпадает с условной вероятностью того, что конфигурация содержит х при условии, что на Л \ х конфигурация равна АП8х-

Сделан вывод, что рассмотрение случайных полей, обладающих потенциалом ближайшего соседа, является эквивалентным рассмотрению марковских полей. Данное теоретическое положение позволяет в более компактной, лаконичной форме задавать информацию о состоянии телекоммуникационной сети.

Проведены исследования характеристик надежности поведения сети с учетом отказов и восстановлений узлов и каналов связи, а также временных показателей поведения сети, отражающих ее производительность, пропускную способность и быстродействие.

Во второй главе рассмотрены вопросы маршрутизации потоков в проектируемых глобальных сетях и результаты разработки сетевых протоколов. Описываемые основы

маршрутизации информационных потоков в сетях телекоммуникаций являются содержательной базой государственного стандарта России на передачу данных и обмен информацией между системами. При этом регламентируются: 1) информация, необходимая для оконечных систем (ОС) и промежуточных систем (ПС); 2) методы, используемые ОС и ПС для сбора этой информации; 3) методы, используемые ОС и ПС для распределения этой информации; 4) функции, выполняемые ОС и ПС, для определения путей, по которым пойдет поток протокольных блоков данных сетевого уровня. Разработаны принципы формирования базы данных маршрутной информации и сформулирована типизация процедуры

маршрутизации. Представлены результаты проведенных исследований существующих маршрутизаторов, алгоритмы, реализованные в них (Беллмапа - Форда и Дейкстры). Сформулированы критерии выбора маршрутизаторов в зависимости от задач, стоящих перед сетью. Представлена разработка межшлюзового протокола маршрутизации для глобальных сетей, который по качеству функционирования превосходит известные протоколы RIP и OSPF. Это достигнуто благодаря изменению алгоритма Беллмана-Форда в двух аспектах: вместо простой метрики введен вектор метрики, а вместо единственного пути с минимальной метрикой (как в RIP) введен диапазон путей, метрика которых попадает в заданный диапазон. Представлены алгоритмы, реализующиеся в разработанном протоколе.

Для устранения появления петель при маршрутизации информационных потоков разработан новый мегод, использующий алгоритм диффузионных расчетов. Суть метода заключается в следующем: охват графа сети диффузионным расчетом, начатым некоторым узлом, увеличивается при посылке вопросов и уменьшается при получении ответов, образуя в каждый момент времени нециклический граф с корнем в источнике расчета. Представлен алгоритм диффузных изменений. Доказана его сходимость. Приведены результаты моделирования на примере сети. RUNNet и показано преимущество разработанного алгоритма по сравнению с существующими алгоритмами.

На примере конкретной глобальной сети решается задача оптимальной маршрутизации потоков. Здесь применен метод решения транспортных задач. При наличии ограничений на

пропускную способность каналов находятся ластичные потоки путем насыщения дуг графа. Сумма частичных потоков дает его необходимое исходящее из узла распределение. Приведен алгоритм расчета путей, реализация которого в отечественном маршрутизаторе обеспечит расчет оптимальных путей следования информационных потоков.

Представленный далее разработанный протокол обмена межрегиональной маршрутной информацией представляет собой основу для внедрения наиболее важного отечественного телекоммуникационного стандарта, соблюдение которого позволит обеспечить свободную маршрутизацию и ретрансляцию потоков между крупными автономными системами. Протокол вычисляет эффективные, свободные от зацикливаний маршруты и определяет: процедуры обмена информацией межрегиональной достижимости и маршрутной информации между граничными промежуточными системами (ГПС); процедуры обеспечения баз данных в пределах ГПС; кодирование протокольных блоков данных (ПБД), используемых для распределения маршрутной информации между ГПС. Процедуры определены в понятиях взаимодействий между ГПС путем обмена протокольными блоками данных и взаимодействий между данным протоколом и ннжерасцоложенньшм услугами сетевого уровня путем обмена сервисными примитивами. Протоколом регламентированы расположения полей каждого типа ПБД. Кодирование атрибутов обеспечивается элементами: флаг, тип, длина, значение. Разработанный протокол адаптирован к требования российских стандартов ГОСТ Р 34.962, ГОСТ Р ИСО 9542, ГОСТ Р ИСО/МЭК 10030 и ГОСТ Р ИСО/МЭК 10589.

В решении сложной задачи оптимизации глобальной гетерогенной сети телекоммуникаций, состоящей из множества подсетей, необходимо осуществлять проверку протокольных реализаций на соответствие международным стандартам. Поведение протокольной реализации представлено моделью конечного автомата, которая адекватно описывает регламентируемые в спецификациях па протоколы функции взаимодействия. Основные требования к отечественному анализатору протоколов - наиболее полно упитывать стандарты, входящие в Государственный профиль взаимосвязи открытых систем России. Предложенный в работе метод построения модели, описывающий поведение тестируемой системы в случае одноуровневого вложенного тестирования, поможет решить задачу разработки отечественного анализатора протоколов. Метод позволяет обосновать ограничения на выбор функций смежных с тестируемой реализацией уровней для уменьшения размерности модели. Вместе с тем ограничения не приводят к уменьшению полноты описания наблюдаемого поведения тестируемой реализации. Существенным в данном подходе является то, что разработчик концентрирует свое внимание только на проверяемых функциях тестируемой реализации, а детальный анализ поведения смежных уровней проводить не требуется.

В третьей главе показаны принципы проектирования региональных и федеральной сетей телекоммуникаций системы образования.

Предлагаемая архитектура региональной

телекоммуникационной сети имеет иерархический характер. Верхний уровень иерархии создается на базе уже развитого

регионального узла сети RUNNet или Relcom/Relarn путем усиления его технических. средств и оснащения лицензированными программными средствами поддержки сети, в т.ч. ОС UNIX. Уровень 2 - областные узлы, по одному в каждой области. Далее идут внутривузовские узлы меньшей мощности, а в крупных ВУЗ-ах, при большом числе абонентов, и узлы подразделений. На нижнем уровне иерархии находятся абонентские точки - локальные сети или отдельные машины.

Региональный узел связывается прямыми спутниковыми или иными каналами с областными узлами. Скорость приема/передачи данных между региональным и областным узлами 64 Кбит/сек. Региональный узел на первом этапе имеет прямой спутниковый канал со скоростью 64 Кбит/сек на станцию М9 Московской городской телефонной сети. С помощью этого канала он получает выход по протоколу TCP/IP в сеть Internet. ВУЗ-ы каждой области присоединяются к узлу по прямым телефонным или иным каналам. Предлагается два варианта оснащения регионального узла: в соответствии с минимальной конфигурацией и максимальной конфигурацией. Разработан стандартный фрагмент сети спутниковой связи.

Далее рассмотрена работа по проектированию национальной сети компьютерных телекоммуникаций для науки и высшей школы, наиболее важным сегментом которой является проект создания отраслевой компьютерной сети Минобразования России RUNNet, позволивший в сжатые сроки связать скоростными каналами крупные научно-образовательные учреждения и целые регионы, предоставить им доступ к российским и зарубежным информационно-вычислительным ресурсам. Разработанные в диссертации

методы оптимизации процедур маршрутизации информационных потоков нашли практическое воплощение в данных сетях. Рассмотрены также такие важные положения как:

управление и поддержание работоспособности оборудования спутниковых антенн;

- управление и контроль за маршрутизацией пакетов;

- обеспечение безопасности сети;

- обеспечение работы базовых услуг сети;

- обеспечение операторской службы контроля и быстрого реагирования в нештатных ситуациях;

- общий мониторинг сети, включая сбор статистики, оптимизацию трафика и т. д.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки комплекса базовых стандартов, увязанного семью уровнями эталонной модели ВОС, по вопросам маршрутизации, коммутации и ретрансляции для включения коммуникационных профилей в Государственный профиль взаимосвязи открытых систем России.

Полная схема Госпрофиля ВОС, в разработке которого приняло участие большое количество ученых и специалистов, основана на анализе и систематизации базовых и функциональных международных стандартов ИСО/МЭК и рекомендаций МККТТ (всего свыше 450 документов), правительственных профилей взаимосвязи открытых систем различных стран и объединений с учетом состояния и потребностей развития информационной технологии в России.

К преимуществам внедрения в России Госпрофиля ВОС относятся:

- взаимная совместимость всех технических и программных средств внутри России и на международном уровне;

- оптимизация маршрутизации информационных потоков в глобальных сетях телекоммуникаций;

- существенное снижение затрат на разработку и приобретение программного обеспечения в силу его широкого распространения для ВОС и широкой доступности;

- дешевое универсальное оборудование, которое можег выпускать практически любой изготовитель;

сокращение сроков ввода средств и систем в эксплуатацию благодаря стандартным протоколам и интерфейсам;

- более доступный и дешевый сервис в эксплуатации.

Внедрение Госпрофиля ВОС радикально изменит способ

приобретения государственными структурами средств информационной технологии.

Приведены рекомендации по переходу к нему и сделаны выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ • РАБОТЫ

1. Основным результатом диссертационной работы является формирование и теоретическое обоснование новых научно-технических . положений организации процесса оптимальной маршрутизации информационных потоков при проектировании отечественных глобальных и региональных сетей, являющиеся унифицированными для всех классов сетей. Разработаны методы и алгоритмы управления потоками в проектируемых глобальных сетях, комплекс российских стандартов и протоколов взаимосвязи открытых систем. Для

обеспечения единой политики государства в области развития и внедрения новых информационных технологий разработаны коммуникационные профили по функциям маршрутизации, коммутации и ретрансляции для включения их в Государственный профиль взаимосвязи открытых систем России.

2. Основным научным результатом диссертационной работы является разработка:

- мето дологических и теоретических основ оптимальной маршрутизации информационных потоков в глобальных и локальных сетях;

- основ маршрутизации, отечественных протоколов и стандартов на взаимосвязь открытых систем;

- метода применения оптимального правила предоставления обших сетевых ресурсов;

- методов улучшения характеристик локальных вычислительных сетей;

алгоритмов и методов оптимального распределения информационных потоков в узлах сети;

- метода беспетлевон маршрутизации, использующего алгоритм диффузионных расчетов;

- оптимальной стратегии доступа к сетям интегрального обслуживания,

а также применение теории гиббсовских состояний на счетных множествах для исследования сетей телекоммуникаций.

3. Основным практическим результатом работы является:

- разработка комплекса нормативно-технических документов в виде российских и международных стандартов, применение которых обеспечивает свободную и эффективную

маршрутизацию потоков сообщений в глобальных гетерогенных сетях;

- программного обеспечения;

- методов исследований протокольных реализаций, способов их тестирования для производства отечественных анализаторов протоколов.

- проектировании типовых структур региональных сетей тслекоммун икаций;

- проектировании национальной и отраслевой (Минобразования России) сетей телекоммуникаций.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Бюттнер X. Г. , Куракин Д. В. Оптимизация маршрутизации пакетов сообщений в информационно-вычислительных сетях, построенных на базе стандартов ОБГ Сб. Вопросы стандартизации, № 2 М., 1987, с. 16-24.

2. Куракин Д. В. Оптимальное управление в информационно-вычислительных сетях, построенных на базе стандартов ОБ! Сб. Вопросы стандартизации, № 3, М., 1990, с. 21-25.

3. Куракин Д. В. Ижванов Ю. Л. Рекомендации по применению оптимального алгоритма диспетчеризации в составе стандартов 081. Труды Института СЭВ по стандартизации. Вып. 19, М., 1989, с. 30-32.

4. Куракин Д. В. Рекомендации по применению оптимального алгоритма диспетчеризации. Сб. Стандартизация и качество продукции за рубежом. № 11, М., 1989, с. 12-14.

5. CT СЭВ 6178-88 (ГОСТ 28079-89) "Системы обработки информации. Протокол уровня звена данных. Методы синхронной позначной передали данных".

6. CT СЭВ 6179-88 "Системы обработки информации. Протокол уровня звена данных. Метод синхронной побитовой передачи данных".

7. СТ. СЭВ 6185-88 (ГОСТ 28082-89) "Системы обработки информации. Методы обнаружения ошибок при последовательной передаче данных"

8. CT СЭВ 6366-88 (ГОСТ 28270-89) "Системы обработки информации. Спецификация файла писания данных для обмена информацией".

9. CT СЭВ 6367-88 (ГОСТ 18145-89) "Системы обработки информации. Стык С2. Цепи и функциональные характеристики".

10. CT СЭВ 6368-88 "Системы обработки информации. Стык С2. Электрические параметры.

11. Ст СЭВ 6782-89 (ГОСТ 28696-90) "Системы обработки информации. Передача данных. Определение услуг звена передачи данных для взаимосвязи открытых систем".

12 D. V. Kurakin. Telecommunication network of Russian universities: The Concept Proceedings of the First International Conference on Distance Education in Russia, July 5-8, 1994, Moscow, Russia, c. 147- 148.

13. Концепция развития сети телекоммуникаций в системе высшего образования Российской Федерации, Госкомвуз, Москва, 1994, утверждена 31.03.94 Первым заместителем Председателя Государственного комитета РФ по высшему образованию.

14. Куракин, С. Ф. Сидоров. Проблема маршрутизации в перспективных сетевых разработках Российского НИИ информационных систем. Журнал "Автоматизация и современные технологии", № 5, М., 1994, с. 32-35.

15. Куракин Д. В. О разработке государственного профиля стандартов, обеспечивающих совместимость федеральных телекоммуникационных сетей с региональными, ведомственными, коммерческими и международными сетями и о ведении домена БОН 1111. Сборник докладов па конференции Ассоциации научных и учебных организаций - пользователей сетей передачи данных 11ЕЬАГШ, 5-6 декабря 1994, Москва, с. 47- 48.

16. Куракин Д. В. Внедрение новых телекоммуникационных возможностей в системе высшего образования. Тезисы докладов совещания - семинара "Современные средства интеллектуальных САПР", Москва, 1993, Московский государственный институт электроники и математики, с. 65.

17. Д. В. Куракин. Внедрение новых телекоммуникационных возможностей в системе высшего образования. Тезисы докладов научно-технической конференции "Перспективные информационные технологии в высшей школе", Самара, 1993, Госкомвуз, с. 14-15.

18. Мачнев М. С., Куракин Д. В. Компьютерные телекоммуникации: вчера - экзотика, сегодня - реальность, завтра - необходимость, ВУЗ и рынок, книга 4, часть II, Проблемы информатизации высшего образования России, М., "Пресс-сервис", 1994, с. 22-28.

19. ГОСТ Р ИСО/МЭК ТО 9575-97 "Информационная технология. Передача данных и обмен информацией между

системами. Основы маршрутизации взаимосвязи открытых систем".

20. ГОСТ Р ИСО/МЭК 10030-96 "Информационная технология. Передача данных и обмен информацией между системами. Протокол обмена маршрутной информацией оконечной системы для использования в сочетании с ГОСТ 34. 954-91".

21. Куракин Д. В. Возможности электронной почты. ВУЗ и рынок, книга 4. часть II, Проблемы информатизации высшего образования России, М., "Пресс-сервис", 1994, с. 179-181. '

22. А. Д. Иванников, А. О. Кривоп1еев, Д. В. Куракин. Развитие сети телекоммуникаций в системе высшего образования Российской Федерации, журнал "Высшее образование в России" № 2, 1995. Научно-педагогический журнал Государственного Комитета Российской Федерации по высшему образованию, с. 87-93.

23. Д. В. Куракин. Об участии РосНИИ информационных систем в реализации правительственной политики в области сетевых технологий. Материалы международной научно-методической конференции "Новые информационные технологии и университетском образовании", Новосибирск, Издательство НИИ МИОО НГУ, 1995, с. 241-244.

24. Д. В. Куракин, С.Ф.. Сидоров. Протокол маршрутизации для глобальных сетей телекоммуникаций. Тезисы докладов на Всероссийской научно-методической конференции "Телематика - 95" 3-7 апреля 1995, Санкт-Петербург, с. 138-139.

25. D. V. Kurakin. Telecommunication networks serve the higher education system. Abstracts. International Conperence of engineering education. May 2.3-25, 1995, Moscow, Russia, c. 232.

26. Д. В. Куракин. Маршругизация в сетях телекоммуникаций, построенных на базе международных стандартов взаимосвязи открытых систем. Журнал "Автоматизация и современные технологии" № 3, 1995, с. 35-43.

27. Д. В. Куракин. К вопросу о создании государственного профиля России на взаимосвязь открытых систем. Издательство "Машиностроение", журнал Информационные технологии № 0, 1995, Москва, с. 48-50.

28. Д. В. Куракин, Определение характеристик локальных вычислительных сетей аналитическими средствами и методы их улучшения. Тезисы докладов на Всероссийской научно-технической конференции "Перспективные информационные технологии в высшей школе" 10-13 октября, 1995, Тамбов, с.18-19.

29.Д. В. Куракин. О методе беспетлевой маршрутизации в глобальных телекоммуникационных сегях, использующем алгоритм диффузионных расчетов. Сборник докладов на 2-ой конференции Ассоциации научных и учебных организаций -пользователей сетей передачи данных - "RELARN" (19-20 декабря 1995), Москва, с. 62-63.

30. Д. В. Куракин. О методе беспетлевой маршрутизации в сегях телекоммуникаций, использующем алгоритм диффузионных расчетов. Журнал . "Автоматизация и современные технологии". Издательство "Машиностроение" № 6, 1996, с. 30-35.

31. Д. В. Куракин, С. Ф. Сидоров. Маршрутизаторы для глобальных телекоммуникационных сетей и реализуемые в них алгоритмы. Издательство "Машиностроение", журнал "Информационные технологии" №2, 1996, Москва, с. 29-34

32. Д. В, Куракин. О развитии сети телекоммуникаций в системе высшего образования Российской Федерации. Тезисы докладов на Второй международной студенческой щколе-семннаре, май 1994, Гурзуф, с. 21-22.

33. Д. В. Куракин. Анализ протоколов глобальных сетей телекоммуникаций. Издательство "Машиностроение", журнал "Информационныетехнологии", № 1, 1997, Москва, с.13-16

34. Д. В. Куракин. Применение анализаторов протоколов в работах по оптимизации телекоммуникационных сетей Издательство "Машиностроение", "Автоматизация и современные технологии" № 1, 1996, Москва, с.13-16.

35. Справочное пособие "Функциональные стандарты в открытых системах" в двух частях Издательство МЦНТИ 1997 с. 11-29.

36. Д. В. Куракин. Разработка протокола обмена межрегиональной маршрутной информацией между промежуточными системами. Тезисы докладов па Всероссийской научно-методической конференции "Телематика - 97", 19-23 мая 1997, Санкт-Петербург, с. 60-61.

37. Д. В. Куракин. Организация маршрутизации информационных потоков при проектировании общероссийской сети телекоммуникаций. Тезисы докладов на VII Международной студенческой школе-семинаре "Новые информационные технологии", Крым, май 1997, с.44-45.

38. А. Д. Иванников, 10. Л. Ижванов, Д. В. Куракин Информационное наполнение WWW-сервера Центра

*

информатизации высшей школы. Тезисы докладов на Всероссийской научно-методической конференции "Телематика-96", 14-16 мая 1996, Санкт-Петербург, с.30-31.

39. Д. В. Куракин. Об участии РосНИИ информационных систем в реализации правительственной политики в области сетевых технологий. Тезисы докладов на Третьей международной студенческой школе-семинаре "Новые информационные технологии", Крым, май 1995, с. 233.

40. Д. В. Куракин. Управление процессами информатизации в сфере образования России. Госкомвуз России, ГосНИИ системной интеграции. Бюллетень N3 "Проблемы информатизации высшей школы, 1997, Москва, с.5-12.