автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка методов и математических моделей для проектирования и модернизации структуры глобальной информационной сети (ГИС) Вьетнама

На правах рукописи

ФАМАНЬТЬЕН

РГБ ОД

. )

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕРНИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ ГЛОБАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СЕТИ (ТИС) ВЬЕТНАМА

Специальность 05.13.13 —Вычислительные машины,

комплексы, системы и сети

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2000

Работа выполнена в Московском энергетическом институте

(Техническом Университете) на кафедре Вычислительных машин, систем I

сетей.

Научный руководитель д.т.н., профессор Бутрименко Александр Васильевич

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Вишневский Владимир Миронович д.т.н., профессор Климанов Вячеслав Петрович

Ведущая организация:

ВНИИ проблем вычислительной техники и информатизации Госкомсвязи РФ.

Защита состоится "48 " 2000 г. 6 Часо&.

в аудитории Г-310 на заседаний диссертационного Совета К-053.16.09 в Московском энергетическом институте (Техническом Университете) по адресу: 111250 Москва, ул. Красноказарменная 14, корп. Г.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу:

111250 Москва, ул. Красноказарменная 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ) по адресу: Москва, ул. Красноказарменная 13а.

Автореферат разослан &М&. •¿МЮ

Ученый секретарь диссертационного совета К-053.16.09 к.т.н., доцент /Дорошенко А.Н./

-М ПЗ.-М* и С Г)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

В последние годы 20-го века в мире происходит революция информационной технологии. Можно сказать, что в настоящее время во всем мире наметился настоящий «информационный бум». Находясь в одном из наиболее экономически быстро развивающихся регионов мира, Вьетнам не может быть необитаемым островом в плане развития информационной технологии. В стране растет доля электронной информации во всех секторах народного хозяйства и в услугах, предоставляемых населению. Число компьютеров во Вьетнаме каждый год увеличивается в полтора раза. Плотность телефонов развивается быстрее, чем предсказывали прогнозы, проведенные несколько лет назад. С того времени, когда пользователям Вьетнама были предложены услуги сети Интернет, число абонентов сетевых провайдеров очень быстро растет. Если в начале 1998 г., число абонентов сетевых провайдеров было около 20000, то в начале 2000 года их число прогнозируется в 100000, т.е. за два года станет в 5 раз больше.

Развивающиеся требования к информации во всех видах деятельности общества приводят к необходимости создания глобальной системы информационного обеспечения страны.

Имеется много подходов для решения задачи развития информационных технологий (ИТ) в масштабах страны. Результат исследования существующих локальных и корпоративных сетей Вьетнама показывает, что в настоящее время актуальной проблемой являются задачи модернизации и усовершенствования существующих информационных сетей Вьетнама с целью создания глобальной информационной сети (ГИС), которая может объединять существующие сети страны в единую систему.

Основные направления развития ИТ на базе ГИС определены в Национальной программе, отраженной в Постановлении №49/СР/1993.

Изложенное подтверждает актуальность задачи проектирования национальной полномасштабной глобальной информационной сети Вьетнама.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является разработка методов и математических моделей для проектирования и модернизации структуры глобальной

информационной сети (ГИС) Вьетнама. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих информационных систем и состояния телекоммуникационной инфраструктуры Вьетнама.

2. Провести анализ методов проектирования сети с целью выбора методов для решения задачи проектирования структуры ГИС Вьетнама.

3. Разработать математические модели для проектирования структуры ГИС Вьетнама.

4. Разработать алгоритм решения задачи проектирования структуры ГИС Вьетнама.

5. Разработать программы реализации алгоритмов.

6. Произвести расчет структуры ГИС Вьетнама со сроком ввода в 2001 г. (ГИС 2001) с помощью разработанных программ при различных вариантах исходных данных.

7. Провести анализ результатов расчета для определения эффективного варианта структуры ГИС 2001.

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ является структура ГИС Вьетнама, рассматриваемая как многоуровневая информационная вычислительная сеть.

МЕТОЛЬТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Проведенные в работе исследования основаны на рассмотрении топологической многоуровневой структуры ГИС Вьетнама как развивающейся информационной системы, обслуживающей более 1000 абонентов. При разработке алгоритмов для проектирования структуры ГИС был использован комплекс методов определения структуры сетей различных конфигураций на основе математических моделей топологического проектирования, предложенный проф. Абросимовым Л.И. Для расчета подсетей местного и регионального уровней ГИС использован метод определения древовидной иерархической конфигурации, для расчета сети магистрального уровня использованы методы определения структур древовидной конфигурации и кратчайшей связывающей сети заданной конфигурации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Впервые предложен комплекс математических моделей структуры глобальной информационной сети Вьетнама, учитывающие существующие информационные и телекоммуникационные ресурсы.

Впервые предложен алгоритм расчета структуры ГИС Вьетнама с новым подходом в декомпозиции при определении древовидной иерархической структуры сети в масштабе страны с количеством абонентов более 1000.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Разработанные в рамках диссертационной работы модели структуры ГИС Вьетнама и комплекс программ реализации алгоритмов расчета многоуровневой сети предусмотрено использовать при проектировании реальной глобальной информационной сети Вьетнама первого этапа (ГИС 2001), объединяющей все локальные сети министерств и госпредприятий, а также административные учреждения районов, и имеющей 1093 абонента.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ

По материалам диссертационного исследования опубликовано 2 работы. Сделаны доклады на - международной конференции «Distributed computer communication networks - Theory and Applications» в Тель-Авиве 4-8 ноября 1997 г. и" на 8-м семинаре «Научно-техническая информация в странах центральной и восточной Европы» в Варшаве 11-12 октября 1999 г.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка обозначений, списка литературы и девяти приложений. Общий объем основного текста включает 214 страницы, в том числе 32 рисунка и 16 таблиц.

Приложения выполнены на 47 страницах. Список литературы состоит то 63 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность исследуемых вопросов, определены цель и задачи диссертационного исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена детальному анализу состояния информационных технологий во Вьетнаме. В результате анализа определены пути развития информационной системы и сети для Вьетнама в каждом секторе народного хозяйства. При этом целью является максимальное использование существующих информационных и аппаратных ресурсов, при одновременном удовлетворении требований к качеству предлагаемых услуг сетей и возможности применения новых информационных технологий.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ проведен анализ методов сетевого проектирования и в первую очередь методов решения задачи топологического проектирования многоточечной сети. На основе классификации основных видов структур ВС проведено сравнение их достоинств и недостатков. Из проведенного сравнения структура ГИС Вьетнама определена как «смешанная конфигурация», в которой имеются иерархически организованные подсети на местном и региональном уровнях, а на магистральном уровне рассматривается 3 варианта конфигурации: шинная, кольцевая и древовидная. Сформулированная цель исследования состояла в выборе комплекса методов для решения задачи топологического проектирования ГИС Вьетнама, который включает:

- метод определения структуры древовидной иерархической конфигурации

сети;

- метод определения структуры древовидной конфигурации сети;

- метод определения кратчайшей связывающей сети заданной конфигурации.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ предлагается процедура проектирования структуры ГИС, предусматривающая использование интерактивного проектирования.

Предлагаемая процедура проектирования структуры ГИС Вьетнама ориентируется на многократное использование. Вначале ее используют для определения "стартового" варианта, который является структурой ГИС 2001, а затем - при проведении каждой модернизации, проводимой на общесистемном уровне. Результат расчета содержит все данные, необходимые для обоснования выбора структуры ГИС Вьетнама.

Разработаны математические модели структуры ГИС Вьетнама, учитывающие трехуровневую структуру телекоммуникации и обслуживающей три классов пользователей. На основе изложенных математических моделей, задача определения структуры ГИС Вьетнама формулируется следующим образом:

Заданы подмножества абонентов трех уровней и их количества, т.е.:

А"'1, где 1 = \,п1А ; А"=2, где г = 1,пгА ; А"'3, где г = 1,пъА;

Задано местоположение абонентов А" для и = 1,3, которое может быть

представлено в виде матрицы взвешенных расстояний А/=|/я#||, где ¿,7 = 1,и,

з

причем п = ~£п"л.

Ы=1

Задан пиковый трафик 2" для каждого абонентского узла а". Заданы пропускные способности: П"к каналов связи, объединяющих узлы м-го уровня и П"р - узлов коммутации, обслуживающий группу Ср узлов и-го уровня. Заданы приведенные затраты: 1¥к" - на каналы к^ между а" и а" «-гоуровня; \¥пи - ня \гзпы Р" клммутятши и-го чтгншя:

Г р ✓----- ~ р ' - ' ' ' ' - ' * л - '

\Уа" - на абонентные узлы к-го уровня.

Требуется определить структуру Б, рассматриваемую как объединение структур з

каждого уровня, т.е. 5' = и5", которая определяет количество и местоположение

И=1

коммуникационных узлов Рр, количество и местоположение каналов ку связи,

согласует пиковый трафик с пропускными способностями каналов связи и с пропускными способностями узлов коммутации, и обеспечивающую минимизацию суммарных приведенных затрат на каналы связи и узлы коммутации.

При отыскании решения предусматриваются следующие допущения:

ТТыулушлгмл 1' 13 оло»#лч'тп' тлиа|л иоонаптрппя рл» п пттго гшлт»» 1V

уМ, <У! Iу 1^(»ИЬ Л . 1Л |\а ии^ти/^иищ IV ¿V«. ^ГииЛ^^ЦУН'и! »и11\иЦ11\>1ШШЛ

узловР" могут быть использованы только точки местоположения абонентов {л" соответствующего уровня и.

Допущение 2: Для уровней м=/ и и=2 коммуникационные узлы Р"р должны

рассматриваться как дополнительные узлы а"+' сети уровня и+1.

Допущение 3: Пиковый трафик 2" каждого коммуникационного узла а""2 уровня и=2 в направлении магистрального уровня равен суммарному пиковому трафику от узлов, входящих в группу, обслуживаемую коммуникационным узлом аи.г =ри-г

Допущение 4: Пиковый трафик магистрального канала определяется суммарным трафиком узлов, которые магистральный канал объединяет.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ

Достигнутый уровень ГИС

и характеристики

Имеющийся ресурс

Требование к развитию

О! [РЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ

Топология местных сетей

Ограничения

Топология региональных сетей 4— Ограничения

1 г

Топология магистральных сетей «— Ограничения

Повторный запуск

Корректировка

Нет

Результат

Рис. 1 Интерактивная процедура проектирования структуры ГИС Вьетнама.

Допущение 5: Суммарный пиковый трафик, передаваемый по каналу связи К"

не должен превышать пропускной способности П"к канала передачи данных этого уровня.

Разработана математическая постановка задачи определения структуры ГИС Вьетнама. В соответствии с требованиями к ГИС Вьетнама в качестве критерия эффективности, которым оценивается качество выбранного варианта со структуры ГИС, выступают общие затраты IV, т.е. отыскивается вариант со струкгуры, который минимизирует общие затраты:

Ж(ш') = шт{Ж(га)}. (1)

и

Так как разрабатываемая ГИС является трехуровневой структурой (и = 1,3), затраты IV(а>) каждого варианта а складываются из затрат IV" ((о) каждого уровня

« = 13, т.е.: }Г(а)) = %Жи(&) (2)

И«1

Если обозначим и>а"соответственно приведенные затраты на абонентский узел а", затраты на узел коммутации р"р и затраты на канал связи

между узлом коммутации и абонентскими узлами уровня и, то целевые функции для каждого уровня струкгуры ГИС Вьетнама (рис. 2) сформулированы следующим образом:

Для местного уровня ГИС (и=1): ¡У\ф)= \\>а] + и'р\ + £ (3)

1 Р

Стремление минимизировать затраты IV1 (¿о) приводит к минимизации количества /*„' вновь создаваемых центров групп, однако на основании допущения 5 при поиске эффективного решения необходимо выполнять ограничение:

(4)

Ограничение (4) представляет собой соотношение, обеспечивающее гарантированную работу узла коммутации при обработке пикового трафика 2] узлов и~1, обслуживаемых центром группы, который имеет пропускную способность П1 и таким образом косвенно определяет количество Р* вновь создаваемых центров.

«=1_J- — f J (5)

й n ern>/ D«-l - 1 '

Звездообразная конфигурация создаваемых групп (см. рис. 2) может быть строго описана введением двух булевых переменных { xupj } и { у£ }, т.е.:

и=)_{1 если е Аух [о если р;-1 « А"/

Соотношение (5) учитывает допущение 1 и позволяет определшь местоположение коммутирующего узла Р"р, являющегося цетром группы G"p, при

одном из абонентов А""1 уровня и-1, следовательно: = 1 (6)

J

(1 если a, eGp ,Pp eAj У,р [О если af £ GU;\P^ e Af

Соотношение (7) учитывает допущение 1, но предусматривает, что узел а" должен входить только в одну группу Gp, т.е. подключаться только к одному

узлу коммутации, следовательно: = 1 (8)

I

Выведенные соотношения позволяют записать математическую постановку задачи отыскания эффективной структуры ГИС первого уровня, при этом целевая функция имеет вид:

Я" (<»') = mm (¿»а} + + LIK*^) (9)

i-i р р I j

Для регионального уровня ГИС (и=2):

w\w)=шшйш;+ZIS4-4-4) (ю)

Ml р Р ' J

Функциональное ограничение для определения групп ГИС и=2 имеет вид:

П\- где Z\ = (И)

Структурные ограничения, описывающие вариант а ГИС на уровне и=2 имеет

__ , , fl, если Pi е А)

вид: где x)j=\' ' ' (12)

1 PJ * [0, если А)

где =

X если

0, если а* £в"р=г,р;~2 ьА;

(13)

Для магистрального уровня ГИС (и=3):

££

2-2А 2*2/"«*

№ Ы а=1

££

.X1Я

(14)

где хы, х^ - булевые неизвестные, удовлетворяющие соотношениям: Г1, если а] б Л1 (1, если а) е Л1

" [о, если * |0, ест а)*А\

Решение задачи удовлетворяет допущению 1, т.е. каждый узел а) может быть размещен только в одной точке Аа и каждой точке Ае должен соответствовать

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ предлагаются эвристические алгоритмы определения структуры ГИС, сокращающие перебор вариантов.

Анализ изложенных математических моделей показывает, что для математического описания ГИС уровней и-1 и и-2 используются аналогичные математические соотношения. Следовательно, для поиска эффективного решения ГИС уровней и=1 и и-2 необходимо использовать один и тот же метод решения, который в дальнейшем будем называть алгоритмом расчета иерархической древовидной структуры.

При расчете структуры магистрального уровня (и-3) требуется варьировать типом конфигурации (древовидная, шинная, кольцевая), что и нашло свое отражение в соотношениях математической модели. Для поиска эффективного решения ГИС уровня и=3 необходимо использовать метод определения древовидной структуры магистральной сети и метод расчета сети заданной конфигурации, которые в дальнейшем будем называть алгоритмом расчета сети с заданной конфигурацией.

только один узел:

(16)

Ь-1 N3

Алгоритм определения древовидной иерархической структуры основан на подходе поиска локального оптимума вместо глобального и состоит из двух этапов:

- Этап целенаправленного группирования распределяет абонентов по 1руппам и определяет состав и центры групп.

- Этап улучшения краевых точек корректирует состав групп путем последовательного обмена наиболее удаленных элементов только что формируемой группы с элементами соседних групп, которые наименее удалены от центра новой группы.

Метод определения древовидной структуры основан на алгоритме Прима, который позволяет определить кратчайшую древовидную сеть, соединяющую всех абонентов уровня н=3, как вариант магистрального канала.

Метод расчета сети с заданной конфигурацией используется для расчета вариантов магистрального канала связи. Он позволяет определить оптимальное распределение абонентов уровня ы=3 по пространству с заданной конфигурацией структуры. Каждый исходный вариант размещения корректируется путем последовательной оценки и перестановок узлов до тех пор, пока обеспечивается уменьшение целевой функции, т.е. определяется размещение, обеспечивающее локальный оптимум. После корректировки всех исходных распределений из локальных оптимумов выбирается решение с минимальным значением целевой функции.

Для решения задачи топологического проектирования многоточечной сети как ГИС Вьетнама предложен ЗБ-подход, основанный на анализе конкретной постановки задачи проектирования ГИС Вьетнама: абонент, расположенный в одном регионе объединяет в группу только с абонентами, расположенными в данном регионе. Это служит для формулировки критерия разбиения взвешенной матрицы на подматрицы. В результате двухмерная взвешенная матрица размерностью более 1000 элементов разбивается на множество матриц размерностью в десятки раз меньшие, т.е. получаем трехмерную матрицу, что существенно облегчает вычислительный процесс проектирования структуры ГИС.

Математическое представление процедуры разбиения множества абонентов

имеет вид:

где: {Л, },1 = 1,Ы - множество абонентов искомой топологии сети; Ы- общее число абонентов;

{а^ = - 1,к - совокупность подмножеств абонентов, получаемая в результате разбиения множества {Д }.

Отсюда имеем соотношение: ^Л', = N;

(18)

Следовательно, исходная взвешенная матрица |р4||, 1,У = 1,]У может быть

представлена в виде трехмерной матрицы ]], Г = 1,А, = :

¡т^Ц, /,У = 1,ЛГ Цда^Ц, ,у, / = 1, А,где:

\/к\Ака {Я,},г = V*: * = ДА

_ Кл"4* 6К1* = Л

«М ='

2Р МАТРИЦА

(19)

< / 00 00 00

1 00 оо

00\ 00 мГ 00

00 00 К

Рис. 3 Взвешенная матрица в трехмерном представлении

На (рис. 3) изображено соотношение между исходной взвешенной матрицей и ее трехмерным представлением с учетом критерия разбиения.

В результате проведенного исследования информационных потоков абонентов местного уровня ГИС Вьетнама предложены методы и формулы определения характеристики пикового трафика, в том числе метод определения общего объема

информации местного пользователя и метод определения коэффициента пиковой нагрузки МП.

Предлагается метод определения общего объема информации в зависимости от численности населения района расположения абонента и информативности отраслей народного хозяйства и управления данного района.

V / V

К = \Knpc« + Киегрг,м -Хнепром + Ка .Ха + Купр ,Хуяр )1 (20)

Ь-Кшр-Хшр

где: К,- коэффициент удельной информативности /-ой отрасли народного хозяйства или управления;

X, - численность занятых в /-ой отрасли народного хозяйства или управления;

Уф1- объем информации в области финансов;

Ъ - коэффициент, который определяет долю информации в области финансов в общем объеме информации абонента.

Формула расчета коэффициента пикового трафика абонента местного уровня административного типа представлена в следующем:

к __т.(уд+г:+у:+у:)

"" 2] У;^ АГ.(260.^ + 12У° +4У° +К,0)' 1 }

где: 7-] - пиковый трафик абонента;

2' - среднее значение трафика абонента;

Упж - объем информации, передаваемой в пиковое время;

V" - общий объем информации, передаваемой за период времени;

К, =У,+Кш> К = ^ =

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена применению разработанных алгоритмов и комплекса программ для решения задачи проектирования ГИС Вьетнама со сроком ввода в 2001 году. Использование разработанных средств позволило рассмотреть 24 различных варианта исходных данных, получаемых при варьировании основных параметров, определяющих характеристики разрабатываемой ГИС 2001. При расчетах рассматривались следующие значения:

- допустимая пропускная способность каналов связи регионального уровня РГ2 64Кбит/сек и 128Кбит/сек;

- допустимая пропускная способность каналов связи магистрального уровня Рки"э: 1544Кбит/сек и 2048Кбит/сек;

- тип коммутатирующих узлов: 16-портовый и 24-портовый;

- конфигурация структуры магистрального канала: древовидная, шинная и кольцевая.

Анализ результатов расчетов многовариантных ГИС с учетом возможности использования сушествуюших ресурсов и телекоммуникационной инфраструктуры страны свидетельствует о работоспособности моделей и программы. В результате анализа проведенных расчетов определена трехуровневая структура ГИС 2001, содержащая:

а- Местный уровень:

- состоит из 1093 абонентов;

- абоненты образуют 159 подсетей, которые имеют древовидную иерархическую конфигурацию;

- узлы соединены между собой выделенными каналами связи скоростью 33.6 Кбит/сек на основе телефонной сети;

- допустимая пропускная способность узлов коммутации 64 Кбит/сек.

б - Региональный уровень:

- состоит из 379 абонентов;

- абоненты образуют 19 подсетей, которые имеют древовидную иерархическую конфигурацию;

- узлы соединены между собой выделенными каналами связи скоростью 64 Кбит/сек на основе сети передачи данных ВьетПак;

- допустимая пропускная способность узлов коммутации 1544 Кбит/сек.

в- Магистральный уровень:

- состоит из 34 абонентов;

- абоненты образуют магистральную сеть, которая имеет древовидную конфигурацию;

- узлы соединены между собой выделенными каналами связи скоростью 1544 Кбит/сек на основе сети передачи данных ВьетПак.

Пример структуры фрагмента ГИС 2001 представлен на рис. 4.

Рис.4 Структура фрагмента ГИС 2001

В ЗАКЛЮЧЕНИИ приведены основные результаты выполненных исследований в рамках диссертационной работы.

В ПРИЛОЖЕНИЯХ приведены исходные данные по расположению абонентов всех уровней ГИС 2001, их трафики и результаты расчета структуры ГИС 2001 по выбранному варианту проектного решения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Главным итогом настоящей диссертации является разработка методов и математических моделей для проектирования и модернизации структуры ГИС Вьетнама.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Из проведенного анализа определены основные требования, которые необходимо учитывать при построении ГИС Вьетнама:

Обеспечить информационные требования всех уровней управленческих структур страны;

Использовать многоуровневую сеть передачи данных в диапазоне скоростей от 19.6 Кбит/сек до 150 Мбит/сек;

Предусмотреть возможность модернизации ГИС и обеспечить на каждом этапе развития ГИС максимальное использование существующих аппаратных и информационных ресурсов.

Использовать показатель экономической эффективности в качестве основного критерия оценки качества проектных решений задачи.

2. Проведен анализ методов сетевого проектирования и в первую очередь методов решения задачи топологического проектирования.

3. Для решения поставленной задачи проектирования струюуры ГИС Вьетнама предложена процедура проектирования, предусматривающая использование интерактивного проектирования. Разработана математическая постановка задачи определения структуры ГИС, при этом в качестве основного критерия оценки эффективности проектных решений выступают общие затраты на построение ГИС и требование к минимизации общих затрат с выполнением ограничений по пропускной способности.

4. Разработаны эвристические алгоритмы определения структуры ГИС, сокращающие перебор вариантов, и комплекса программ реализации алгоритмов:

для расчета иерархической древовидной структуры;

для расчета сети с заданной конфигурацией, который позволяет варьировать тип конфигурации (шинная, кольцевая).

5. Предложена формула расчета объема информации МП административного типа в зависимости от распределения отраслей народного хозяйства региона и их коэффициентов удельной информативности. Предлагаются коэффициенты информативности для каждой группы отраслей народного хозяйства.

Предложена формула определения общего объема информации административного типа, использующая в качестве исходных данных объем информации в области финансов местных пользователей.

Предложен метод определения коэффициента пиковой нагрузки узлов местного уровня. Учет пикового трафика нагрузки позволяет гарантированно согласовать пропускную способность сети с трафиком пользователей.

6. Для реализации алгоритма расчета конфигурации ГИС написан комплекс программ. Программная реализация алгоритма содержит две группы программ, предназначенных для подготовки набора исходных данных и для поиска проектных решений.

7. Для группы программ поиска проектных решений предложен подход поэтапного нахождения решения, где каждый последующий этап использует результаты расчета, найденные на предыдущих этапах.

8. Предложен дополнительный шаг декомпозиции задачи определения древовидной иерархической конфигурации для всей страны, количество абонентов которой даже на первом этапе превышает 1000, основанный на определении вместо трехмерной матрицы двухмерной матрицы взвешенных расстояний между абонентами.

9. Из проведенного анализа реального состояния сетевых средств систем и требований к информации пользователей всех уровней сформирована задача проектирования структуры ГИС 2001. Использование разработанных автором средств позволило рассмотреть различные варианты исходных данных, получаемых при варьировании основных параметров, определяющих топологической структуры ГИС 2001.

10. Анализ результатов расчетов многовариантных ГИС с учетом возможности использования существующих ресурсов и телекоммуникационной инфраструктуры

страны свидетельствует о работоспособности моделей и программы. Результаты анализа дают основание для определения эффективного варианта структуры ГИС 2001.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Anh Chien Pham. Вычислительные сети Вьетнама // Международная конференция «Распределенные вычислительные и коммуникационные сети -Теория и Приложения»: Сб. докл. - Тель-Авив, Израиль., 1997.-С.49-52. (на английском языке).

2. Фам А.Т. Подход к решению задачи построения глобальной сети общего пользования во Вьетнаме // 8-й межд. семинар «Научно-техническая информация в странах Центральной и Восточной Европы»: Сб. докл. - Варшава, Польша., 1999.- (в печати).

Печ.л. Тираж JOO

Типография МЭИ, Красноказарменная,

Заказ 43-?

13

Введение.

Глава 1. Анализ объекта исследования.

1.1. Сетевые функции информационных технологий.

1.2. Развитие сетевых аппаратных средств Вьетнама.

1.3. Развитие сетевых программных средств Вьетнама.

1.4. Требования к построению ГИС Вьетнама.

1.5. Выводы.

Глава 2. Классификация топологических структур и методы их расчета

2.1 Классификация задач топологического проектирования.

2.2 Методы определения кратчайших связывающих сетей.

2.3 Задачи научных исследований.

2.4 Выводы.

Глава 3. Разработка математических моделей для проектирования структуры ГИС Вьетнама.

3.1. Задачи проектирования ГИС.

3.2. Процедура проектирования ГИС Вьетнама.

3.3. Цели моделирования ГИС.

3.4. Математические модели определения структуры ГИС.

3.4.1. Формулировка задачи определения структуры ГИС.

3.4.2. Математическая постановка задачи определения структуры ГИС

3.5. Выводы.

Глава 4. Реализация методов определения структуры ГИС Вьетнама

4.1. Разработка алгоритмов определения структуры ГИС.

4.1.1. Алгоритм расчета иерархической древовидной структуры.

4.1.2. Алгоритм расчета сети с заданной конфигурацией.

4.1.2.1, Алгоритм расчета сети с древовидной конфигурацией.

4.1.2.2. Обобщенный алгоритм расчета сети с заданной конфигурацией 85 4.2. Определение характеристик пикового трафика.

4.2.1. Метод определения общего объема информации местного пользователя (МП).

4.2.2. Метод определения пиковой нагрузки информационной системы.

4.3 Программная реализация.

4.3.1. Организация вычислительного процесса.

4.3.2. Комплекс программ.

4.3.2.1. Структура комплекса программ.

4.3.2.2. Программы подготовки данных.

4.3.2.3. Программы поиска проектных решений.

4.4. Выводы.

Глава 5. Проектирования структуры ГИС

5.1. Постановка задачи.

5.2. Исследование исходных данных при проектировании ГИС

5.2.1. Пользователи.

5.2.1.1. Местные пользователи.

5.2.1.2. Региональные пользователи.

5.2.1.3. Магистральные пользователи.

5.2.2. Каналы связи.

5.2.3. Экономическая оценка.

5.3. Формулировка задачи проектирования ГИС

5.4. Организация расчета.

5.4.1. Местный уровень.

5.4.2. Региональный уровень.

5.4.3. Магистральный уровень.

5.5. Анализ результатов проведенных расчетов структуры ГИС

5.5.1. Расчет структуры подсетей местного уровня (и=1).

5.5.2. Расчет структуры подсетей регионального уровня (и=2).

5.5.3. Расчет структуры сети магистрального уровня (и=3).

5.6. Выводы.

Актуальность проблемы

В последние годы 20-го века в мире происходит революция информационной технологии. Можно сказать, что в настоящее время во всем мире наметился настоящий «информационный бум». Находясь в одном из наиболее экономически быстро развивающихся регионов мира, Вьетнам не может быть необитаемым островом в плане развития информационной технологии. В стране растет доля электронной информации во всех секторах народного хозяйства и в услугах, предоставляемых населению. Число компьютеров во Вьетнаме каждый год увеличивается в полтора раза. Плотность телефонов развивается быстрее, чем предсказывали прогнозы, проведенные несколько лет назад. С того времени, когда пользователям Вьетнама были предложены услуги сети Интернет, число абонентов сетевых провайдеров очень быстро растет. Если в начале 1998 г., число абонентов сетевых провайдеров было около 20000, то в начале 2000 года их число прогнозируется в 100000, т.е. за два года станет в 5 раз больше.

Развивающиеся требования к информации во всех видах деятельности общества приводят к необходимости создания глобальной системы информационного обеспечения страны.

Имеется много подходов для решения задачи развития информационных технологий (ИТ) в масштабах страны. Результат исследования существующих локальных и корпоративных сетей Вьетнама показывает, что в настоящее время актуальной проблемой являются задачи модернизации и усовершенствования существующих информационных сетей Вьетнама с целью создания глобальной информационной сети (ГИС), которая может объединять существующие сети страны в единую систему.

Основные направления развития ИТ на базе ГИС определены в Национальной программе, отраженной в Постановлении №49/СР/1993.

Изложенное подтверждает актуальность задачи проектирования национальной полномасштабной глобальной информационной сети Вьетнама.

Цель и задачи исследования

Целью предлагаемой работы является разработка методов и математических моделей для проектирования и модернизации глобальной информационной сети (ГИС) Вьетнама.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих информационных систем и состояния телекоммуникационной инфраструктуры Вьетнама.

2. Провести анализ методов проектирования сети с целью выбора методов для решения задачи проектирования структуры ГИС Вьетнама.

3. Разработать математические модели для проектирования структуры ГИС Вьетнама.

4. Разработать алгоритм решения задачи проектирования структуры ГИС Вьетнама.

5. Разработать программы реализации алгоритмов.

6. Произвести расчет структуры ГИС Вьетнама со сроком ввода в 2001 г. (ГИС 2001) с помощью разработанных программ при различных вариантах исходных данных.

7. Провести анализ результатов расчета для определения эффективного варианта структуры ГИС 2001.

Объектом исследования является структура ГИС Вьетнама, рассматриваемая как многоуровневая информационная вычислительная сеть.

Методы исследования

Проведенные в работе исследования основаны на рассмотрении топологической многоуровневой структуры ГИС Вьетнама как развивающейся информационной системы, обслуживающей более 1000 абонентов. При разработке алгоритмов для проектирования структуры ГИС был использован комплекс методов определения структуры сетей различных конфигураций на основе математических моделей топологического проектирования, предложенный проф. Абросимовым Л.И Для расчета подсетей местного и регионального уровней ГИС использован метод определения древовидной иерархической конфигурации, расчета сети магистрального уровня использованы методы определения структур древовидной конфигурации и кратчайшей связывающей сети заданной конфигурации.

Научная новизна

Впервые предложен комплекс математических моделей структуры глобальной информационной сети Вьетнама, учитывающие существующие информационные и телекоммуникационные ресурсы.

Впервые предложен алгоритм расчета структуры ГИС Вьетнама с новым подходом в декомпозиции при определении древовидной иерархической структуры сети в масштабе страны с количеством абонентов более 1000.

Практическая ценность

Разработанные в рамках диссертационной работы модели структуры ГИС Вьетнама и комплекс программ реализации алгоритмов расчета многоуровневой сети предусмотрено использовать при проектировании реальной глобальной информационной сети Вьетнама первого этапа (ГИС

2001), объединяющей все локальные сети министерств и госпредприятий, а также административные учреждения районов, и имеющей 1093 абонента.

Апробация работы и публикации

По материалам диссертационного исследования опубликовано 2 работы. Сделаны доклады на международной конференции «Distributed computer communication networks - Theory and Applications» в Тель-Авиве 4-8 ноября 1997 г. и на 8-м семинаре «Научно-техническая информация в странах центральной и восточной Европы» в Варшаве 11-12 октября 1999 г.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка обозначений, списка литературы и девяти приложений. Общий объем основного текста включает 214 страницы, в том числе 32 рисунка и 16 таблиц.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Проведен детальный анализ состояния информационных технологий во Вьетнаме, который позволил выделить проблемы, ограничивающие распространение ИТ в стране, установить, что информационные требования пользователей неуклонно растут, констатировать, что Вьетнамское Правительство настоятельно стремится к усовершенствованию и развитию информационной инфраструктуры страны.

2. В результате анализа также определены пути развития информационной системы и сети для Вьетнама в каждом секторе народного хозяйства. При этом целью является максимальное использование существующих информационных и аппаратных ресурсов, при одновременном удовлетворении требований к качеству предлагаемых услуг сетей и возможности применения новых информационных технологий. В конечном итоге делается вывод о необходимости создания глобальной информационной сети Вьетнама.

3. В качестве архитектуры ГИС Вьетнама выбрана структура «клиент-сервер», так как данная структура соответствует состоянию развития информационной инфраструктуры Вьетнама.

4. Проведен анализ состояния существующих аппаратных и программных сетевых средств и телекоммуникационной структуры страны, что определило выбор трехуровневой организации среды телекоммуникации Вьетнама для ГИС.

5. Из проведенного анализа определены следующие требования, которые необходимо учитывать при построении ГИС Вьетнама:

Обеспечить информационные требования всех уровней управленческих структур страны;

Создать ГИС как территориально-распределенную вычислительную сеть, охватывающую все регионы страны;

Рассмотреть 3 уровня пользователей в зависимости от требований трафика передаваемого потока информации и важности объектов;

Использовать многоуровневую сеть передачи данных в диапазоне скоростей от 19.6 Кбит/сек до 150 Мбит/сек;

Предусмотреть возможность модернизации ГИС и обеспечить на каждом этапе развития ГИС максимальное использование существующих аппаратных и информационных ресурсов.

Использовать показатель экономической эффективности в качестве основного критерия оценки качества проектных решений задачи.

6. Проведена классификация топологических структур и анализ методов их расчета. На основе классификации основных видов структур ВС проведено сравнение их достоинств и недостатков. Из проведенного сравнения структура ГИС Вьетнама определена как «смешанная конфигурация», в которой имеются иерархически организованные подсети на местном и региональном уровнях, а на магистральном уровне рассматривается 3 варианта конфигурации: шинная, кольцевая и древовидная. Сформулированная цель исследования состояла в выборе комплекса методов для решения задачи топологического проектирования ГИС Вьетнама, который включает: метод определения древовидной иерархической конфигурации; метод определения древовидной структуры; метод определения структуры сети заданной конфигурации.

7. Задачи научных исследований в рамках диссертационной работы предусматривают:

Разработку процедуры проектирования ГИС, учитывающую требования к разработке сети;

Разработку комплекса математических моделей для проектирования структуры ГИС с учетом того, что часть составляющих заранее определена;

Проведение исследований информационных потоков системы управления Вьетнама;

Разработку комплекса программ, реализующих алгоритмы расчета; Проверку работоспособности алгоритма и программного обеспечения при проектировании структуры ГИС Вьетнама года 2001.

8. Для решения поставленной задачи проектирования ГИС Вьетнама предлагается процедура проектирования, предусматривающая использование интерактивного проектирования. Разработана математическая постановка задачи определения структуры ГИС, при этом в качестве основного критерия оценки эффективности проектных решений выступают общие затраты на построение ГИС и требование к минимизации общих затрат с выполнением ограничений по пропускной способности.

9. Разработаны эвристические алгоритмы определения структуры ГИС, сокращающие перебор вариантов, и комплекса программ реализации алгоритмов: для расчета иерархической древовидной структуры; для расчета сети с заданной конфигурацией, который позволяет варьировать тип конфигурации (шинная, кольцевая).

10. Предложена формула расчета объема информации МП административного типа в зависимости от распределения отраслей народного хозяйства региона и их коэффициентов удельной информативности. Предлагаются коэффициенты информативности для каждой группы отраслей народного хозяйства.

Предложена формула определения общего объема информации (ОИ) административного типа, использующая в качестве исходных данных объем информации в области финансов местных пользователей, получаемый в результате проведенного исследования реального потока передаваемой информации.

Предложен метод определения коэффициента пиковой нагрузки узлов местного уровня. Учет пикового трафика нагрузки позволяет гарантированно согласовать пропускную способность сети с трафиком пользователей.

11. Для реализации изложенного алгоритма расчета конфигурации ГИС написан комплекс программ. Программная реализация алгоритма содержит две группы программ, предназначенных для подготовки набора исходных данных и для поиска проектных решений.

Для группы программ подготовки набора исходных данных предлагается интерактивный метод совместного использования программы определения расстояния между местонахождениями регионов, входящих в комплекс системы географической информации (G.I.S.) и база данных, сформированная в результате проведенных автором исследований характеристик потоков информации всех уровней для Вьетнама.

Для группы программ поиска проектных решений предложен подход поэтапного нахождения решения, где каждый последующий этап использует результаты расчета, найденные на предыдущих этапах.

12. Предложен новый подход к решению задачи определения древовидной иерархической конфигурации для всей страны, количество абонентов которой даже на первом этапе превышает 1000, основанный на определении трехмерной матрицы вместо двухмерной матрицы взвешенных расстояний между абонентами. Применение предлагаемого подхода позволяет увеличить скорость нахождения проектных решений и продуктивно использовать вычислительные ресурсы.

13. Из проведенного анализа реального состояния сетевых средств систем и требований к информации пользователей всех уровней сформулирована задача проектирования структуры ГИС 2001. Использование разработанных автором средств позволило рассмотреть различные варианты исходных данных, определяющих характеристики разрабатываемой ГИС 2001. Было рассмотрено 24 варианта, учитывающие изменения допустимой пропускной способности каналов связи регионального и магистрального уровней, допустимой пропускной способности центров коммутации сгруппированных абонентов местного и регионального уровней, типов коммутатирующих узлов, конфигурации магистрального уровня. Все данные для вариантов основаны на реальных результатах исследования вьетнамской телекоммуникационной инфраструктуры и рынка информационной технологии.

14. Анализ результатов расчетов многовариантных ГИС с учетом возможности использования существующих ресурсов и телекоммуникационной инфраструктуры страны свидетельствует о работоспособности моделей и программы. Результаты анализа дают основание для определения эффективного варианта структуры ГИС 2001.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным итогом настоящей диссертационной работы является разработка методов и математических моделей для проектирования и модернизации ГИС Вьетнама.

1. Абросимов Л.И. Конспект лекций по курсу «Моделирование систем. Модели с элементами алгебры логики». М.:МЭИ, 1978

2. Автоматическая коммутация: Учебник для вузов / Под ред. Ивановой О.Н. М.: Радио и связь, 1988. - 624 с.

3. Артамонов Г.Т., Тюрин В.Д. Топология сетей ЭВМ и многопроцессорных систем. М.: Радио и связь, 1991. - 248 с.

4. Артамонов Г.Т., Брехов О.М. Оценка производительности ВС аналитико-статистическими моделями. М.: Энергоатомиздат, 1993. -302 с.

5. Атлас Вьетнама, Ханой, Февраль 1999. 20 с.

6. Берри Нанс. Компьютерные сети: Пер. с англ. М.: Восточная книжная компания, 1996. - 400 с.

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

8. Бутрименко A.B. Разработка и эксплуатация сетей ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1981. -256 с.

9. Гусева А.И. Технология межсетевого взаимодействия. Netware Unix -Windows - Internet - M.: Диалог-МИФИ, 1997. - 272 с.

10. Дэвид Васкевич. Стратегии Клиент/Сервер. Руководство по выживанию для специалистов по реорганизации бизнеса.-К.: Диалектика, 1996. 384 с.

11. Дэвис, Д. Барбер, У. Прайс, С. Соломоиидес. Вычислительные сети и сетевые протоколы. Пер. с англ. М.: Мир, 1982. - 563 с.

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

13. Зыков A.A. Основы теории графов. М.: Наука, 1987 - 384 с.

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

15. Клейнрок Л. Коммуникационные сети (стохастические потоки и задержки сообщений) М.: Наука, 1971. - 256 с.

16. Климов Г.П. Стохастические системы обслуживания.-М.: Наука, 1966. 244 с.

17. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. -М.: Мир, 1978.-432 с.

18. Лившиц B.C. и др. Теория телефонных и телеграфных сообщений. -М.: Связь, 1971.-304 с.

19. Майк Гурвиц. В поисках идеальной глобальной сети // Lan Magazine/Русское издание. Январь 1997. №1, с. 46-49.

20. Макстеник Мирослав. Сравнение сетевых архитектур // Сети. 1997. №2, с. 14-28.

21. Мизин И.А., Богатырев В.А., Кушелов А.П. Сети коммутации пакетов М.: Радио и связь, 1986 - 408 с.

22. Морозов В.К., Долганов A.B. Основы теории информационных сетей-М.: Высшая школа, 1987 271 с.

23. Мясников В.А., Мельников Ю.Н., Абросимов Л.И. Методы автоматизированного проектирования систем телеобработки данных .М.: Энергоатомиздат, 1992. -288 с.

24. Назаров А.Н., Симонов М.В. ATM: технология высокоскоростных сетей.- М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1999. 252 с.

25. Назаров C.B., Ашихмин Н.В., Луговец A.B., Воронцов Ю.А., Ерохин А.Г., Поляков В.П. Локальные вычислительные сети: Справочник. В 3-х кн. Кн. 3: Организация функционирования, эффективность, оптимизация М.: Финансы и статистика, 1995 - 248 с.

26. Оптимизация: модели, методы, решения. Ответственный редактор Булатов В.П. -Новосибирск: Наука, 1992. 359 с.

27. Основы построения больших информационно-вычислительных сетей. Под общей ред. Д.Г. Жимерина и В.И. Максименко. М.: Статистика, 1976.- 296 с.

28. Патрик Корриган. Основы проектирования сети. // Lan Magazine/Русское издание. Март 1997. Том 3. № 2, стр. 40-52.

29. Прим Р.К. Кратчайшие связывающие сети и некоторые обобщения //Кибернетический сборник №2-М.: Изд-во иностранной лит. 1961.

30. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко A.A. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник.-М.: Финансы и статистика, 1998 400 с.

31. Свалин М., Тхуласираман К. Графы, сети и алгоритмы.-М.: Мир, 1984.-455 с.

32. Терри Парсонс, Тим Бич. На марше от frame relay к ATM. // Lan Magazine/Русское издание. 1996. Том 2, №5, с. 24-32.

33. Фам А.Т. Подход к решению задачи построения глобальной сети общего пользования во Вьетнаме // 8-й межд. семинар «Научно-техническая информация в странах Центральной и Восточной Европы». Варшава. Октября 11-12, 1999.

34. Фаронов В.В. Турбо Паскаль 7.0. Практика программирования. Учебное пособие.-М.:«Нолидж», 1999. -432 с.

35. Фред Халсалл. Передача данных, сети компьютеров и взаимосвязь открытых систем: Пер. с англ.-М.: Радио и связь. 1995 408 с.

36. Челлис Дж., Перкинс Ч., Стриб М. Основы построение сетей. Учебное руководство для специалистов MCSE: Пер. с англ.-М.: Лори, 1998. 140 с.

37. Хетагуров Я.А., Древе Ю.Г. Проектирование информационно-вычислительных комплексов.-М.: Высшая школа, 1987 280 с.

38. Шварц М. Сети ЭВМ: анализ и проектирование.-М.: Радио и связь, 1981.

39. Якубайтис Э.А. Архитектура вычислительных сетей.-М.: Статистика, 1980.- 279 с.

40. Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы. Справочная книгаМ.: Финансы и статистика, 1996.-368 с.

41. Янбых Г.Ф., Столяров Б.А. Оптимизация информационно-вычислительных сетей М.: Радио и связь, 1987 - 232 с.

42. Янбых Г.Ф., Эттингер Б.Я. Методы анализа и синтеза сетей ЭВМ.-Л.: Энергия, 1980.-96 с.

43. Anh Chien Pham. Computer networking in Vietnam // Proceedings of The International conference on "Distributed computer communication networks -Theory and Applications". Tel-Aviv, Israel. Nov. 4-8,1997. p. 49-52

44. Berry Kercheval. TCP/IP over ATM: A no-nonsense internetworking guide. Prentice Hall PTR, 1998.

45. Chien luoc phat trien khoa hoc cong nghe Vien thong den nam 2020. ( на вьетнамском языке Стратегии развития телекоммуникационной науки и технологии до 2020 г.).- Hanoi, 1998.

46. Darren L. Spohn. Data network design. McGraw Hill, 1997.

47. Dieu P.D., Le N.H. Vietnam's IT-2000 program: The challenges ahead. // Information technology for development. Sep. 1995, vol.6, p. 85-94

48. Andrew S. Tanenbaum. Computer networks Prentice Hall, 1996.

49. Do B. Q., Hung N. V. Du bao thi truong CNTT Vietnam nam 1996-2000. ( на вьетнамском языке Прогноз вьетнамского рынка информационной технологии годов 1996-2000 ) // 5-я компьютерная неделя. Ханой. Ноября 1-5, 1995, 227-236 с.

50. Douglas Е. Comer. Computer networks and Internet, 2-nd edition Prentice Hall, 1999.

51. Internetwork Design Guide. CISCO Systems Inc., 1994.

52. Jan Annerstedt, Tim Sturgeon. Electronics and information technology in Vietnam.-UNIDO/UNDP project DP/VIE/89/002, Vienna, Aug. 1994.

53. Aaron Kershenbaum. Telecommunications networks design algorithms.-McGraw Hill, 1993.

54. Mats Brunell, Bernhard Stockman. Creating a national information infrastructure and an Internet pilot service a feasibility study.-KTH/Telinformatics. Kista, Sweden. Apr. 1995 - 32 p.

55. Matthew G. Naugle. Network Protocol Handbook McGraw Hill, 1994.

56. Robert Cahn. Wide area network design Morgan Kaufmann, 1998.

57. Nien giam thong ke 1997. ( на вьетнамском языке Вьетнамская статистика 1997 г. ).-Hanoi, Nov. 1997.

58. Nien giam thong ke 1998. ( на вьетнамском языке Вьетнамская статистика 1998 г. ).-Hanoi, Nov. 1998.

59. Peter Heywood, To Chee Eng, Andrew Dornan, David Greenfield. Too little, too late ? // Data Communication International. Oct. 1999, p. 32A-32K.