автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка системы поддержки операций информационных процессов в сфере предоставления услуг связи

005002912

На правах рукописи

Хлюпин Филипп Сергеевич

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ОПЕРАЦИЙ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В СФЕРЕ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ УСЛУГ СВЯЗИ

Специальность 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЬК 2011

Москва-2011 г.

005002912

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН».

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Климанов Вячеслав Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Абросимов Леонид Иванович

кандидат технических наук Демин Константин Валентинович

Ведущее предприятие: ГОУ ВПО Тольяттинский государственный университет

Защита состоится «21» декабря 2011 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 127055, Москва, Вадковский переулок, д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного технологического университета «СТАНКИН».

Автореферат разослан «20» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Семячкова Е.Г

к.т.н., доц.

Актуальность работы

В современном мире ни одно крупное предприятие невозможно представить без автоматизированной системы поддержки операций служебных информационных процессов. Практически все современные системы поддержки операций построены на основе технологии клиент-сервер, что значительно замедляет работу системы в реальном режиме времени в том случае, если генерация заявок происходит на значительном расстоянии от системы, а также, если связь на этом расстоянии не надлежащего качества. Помимо этого, из-за постоянно растущего числа абонентов существенно увеличивается нагрузка на узлы сети, что приводит к значительным задержкам и перегрузкам системы. Поэтому актуальна задача поиска и обоснования использования более современных и эффективных распределенных сетевых информационных технологий, таких как пиринговые сети.

Объект исследования

Система поддержки операций служебных информационных сообщений, основанная на технологии пиринговых сетей, в частности их разновидностей: «Семантическая маршрутизация» и «Распределённые хеш-таблицы».

Цель диссертационной работы

Сокращение времени ответа абоненту системы поддержки операций служебных информационных сообщений за счет применения комбинации методов «Семантическая маршрутизация» и «Распределенные хеш-таблицы» при передаче данных в распределенных узлах модели пиринговой сети.

Данная комбинация методов позволит повысить быстродействие системы за счет перераспределения нагрузки на все компоненты системы и снижения нагрузки на каналы связи.

Для достижения поставленной цели были решены следующие научные и практические задачи:

1. Исследование базового клиент-серверного решения системы поддержки операций информационных служебных сообщений. Измерение времени ответа абоненту, в том числе, при локальных перегрузках.

2. Исследование особенностей методов передачи данных в пиринговых сетях, таких как «Gnutella», «Распределенные хеш-таблицы», «Семантическая маршрутизация» и «Freenet», а также исследование возможности их применения в системе поддержки операций служебных информационных сообщений.

3. Проведение адаптации методов передачи данных «Распределённые хеш-таблицы» и «Семантическая маршрутизация» для сокращения времени ответа абоненту от системы поддержки операций служебных информационных сообщений.

4. Разработка и исследование аппаратно-программого комплекса для оценки показателя времени ответа абоненту системы поддержки операций служебных информационных сообщений, учитывающего достоинства и недостатки комбинаций методов, выявленных в ходе исследования их особенностей.

5. Проверка на адекватность аппаратно-программного комплекса и лежащей в ее основе комбинации методов путем сравнения статистического материала, собранного в процессе мониторинга реальной сети, с результатами моделирования аналогичной сети в разработанном комплексе.

6. Обоснование области применения предложенного решения. Методы исследования.

При выполнении диссертационной работы использовались методы теории вероятностей, математической статистики, теории случайных процессов, теории массового обслуживания, теории графов, а также инструментальное средство разработки программного обеспечения и симуляции запросов к системе (среда

разработки РНР5), с получением статистической информации JMeter 2.5. Для запуска программного обеспечения использовалось современное оборудование фирмы Oracle (Sun Blade Х8420).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен метод повышения эффективности доставки и обработки служебной информации на основе комбинаций методов «Распределенные хеш-таблицы» и «Семантическая маршрутизация» в пиринговых сетеях.

2. Разработана аналитико-имитационная модель на основе комплексного аппаратно-программного моделирования маршрутизации пакетов для управления системой поддержки операций в режиме реального времени.

3. Подтверждена адекватность указанной модели путем сравнения статистического материала, собранного в процессе мониторинга реальной сети, с результатами моделирования аналогичной сети в аппаратно-программном комплексе.

4. Доказана эффективность разработанной технологии по отношению клиент-серверным решением.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Создан аппаратно-программный комплекс моделирования маршрутизации пакетов для управления системой поддержки операций в режиме реального времени.

2. Разработан алгоритм обмена сообщениями между узлами сети, который обеспечивает сокращение времени ответа абоненту в системе поддержки операций служебных информационных сообщений.

Достоверность положений

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов определяется корректным использованием метода аналитико-имитационного моделирования. Адекватность разработанного метода и модели подтверждена

путем сравнения статистического материала, собранного в процессе мониторинга реальной сети, с результатами моделирования аналогичной сети в указанном комплексе.

Апробация работы.

Основные положения, теоретические выводы и практические рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседании кафедры «Информационные системы» ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Реализация работы

Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Информационные системы» ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин» и использованы при подготовке лабораторного практикума по дисциплине «Информационные сети» для студентов специальности 230201.65 «Информационные системы и технологии». Имеется акт о внедрении в учебный процесс;

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликованы 3 научные работы, включая две научные работы в рецензируемых журналах из Перечня ВАК РФ.

Структура и объём. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов и выводов, изложенных на 115 страницах машинописного текста, содержит 15 рисунков, 25 таблиц, 2 приложения и список литературы из 68 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проводится анализ существующих решений: клиент-сервер, кластер и пиринговые сети, а также выявление их сильных и слабых сторон. Также, первая глава посвящена анализу алгоритмов в существующих

пиринговых сетях таких как «Gnutella», «Распределенные хеш-таблицы», «Семантическая маршрутизация» и «Freenet».

Стандартные клиент-серверные приложения по своей архитектуре являются двухуровневыми. Компоненты, отвечающие за презентационный сервис и прикладную логику, размещаются на клиентской машине и обращаются к общему источнику данных по сети. В таких приложениях пользовательский интерфейс и прикладная логика образуют один уровень на клиентском компьютере, а сервисы данных предоставляются отдельными приложениями - СУБД например SQL Server или Oracle.

Двухуровневые приложения хорошо работают в масштабах подразделения при наличии умеренного количества пользователей (до 100), единственной базы данных и быстродействующей защищенной сети. В частности, двухуровневое приложение было бы удачным решением для рабочей группы, принимающей заказы на какую-либо продукцию.

Инфраструктуру распределенного приложения образует программное обеспечение, поддерживающее одновременный доступ к общим сервисам, обычно к сервисам, отвечающим за прикладную логику и операции с данными.

Распределенное приложение обеспечивает:

• масштабируемость - с увеличением количества пользователей и рабочей нагрузки существенного снижения производительности приложения не происходит;

• надежность - приложение не прекращает взаимодействовать с пользователями даже при программных или аппаратных сбоях в системе. Пользователи такого приложения могут быть уверены в его доступности и корректности выполняемых им операций;

• эффективность - приложение быстро, без задержек обрабатывает все задачи.

В современном мире пиринговые сети могут применяться для организации средств связи между миллионами пользователей, в таких отраслях IT индустрии как: электронная почта, система мгновенных сообщений и телеконференций, или организация систем хранения обмена файлов. Основным компонентом пиринговых сетей является виртуальная сеть, которая непрерывно формируется при обнаружении новых участников, или группы участников, объединенных в такую же сеть.

Участники сети (узлы) присоединяются и покидают сеть. Такой процесс происходит постоянно. Нет никаких гарантий, что один раз установив оптимальный маршрут через тот или иной узел, он будет доступен в другой раз. Поэтому топология в такой сети постоянно меняется.

Ввиду всего вышесказанного, можно сделать заключение, что не существует простого и однозначного алгоритма маршрутизации в пиринговых сетях. Отсюда, для достижения поставленной цели необходима разработка усовершенствованного протокола маршрутизации, который позволит повысить эффективность доставки и обработки информации за счет более равномерного использования пропускной способности каналов связи и уменьшения нагрузки на каждого из участников сети.

Алгоритм, применяемый в сети Gnutella, хорошо работает для малого и среднего размеров сетей. Экспериментально доказано, что время поиска, при таком алгоритме, растет в геометрической прогрессии, при увеличении числа узлов в сети.

Такой метод перебора, который вдобавок ещё и засоряет сеть большим числом сообщений, не самое оптимальное решение для маршрутизации пиринговых сетей. Также сеть Gnutella никак не приспособлена, для того, чтобы быть анонимной, а также производить простейший поиск по ресурсам в сети.

Распределенные хеш таблицы — это инфраструктура, которая может быть использована для построения многих комплексных сервисов, таких как

распределенные файловые системы, пиринговое распространение файлов и системы распространения контента, кооперативный web-кэш, широковещание (multicast), anycast, сервис доменных имен и система мгновенных сообщений. Основные распределенные сети, которые используют метод распределенных хеш-таблиц, включают в себя Mainline (с расширениями), сеть eDonkey network, YaCy и Coral Content Distribution Network.

Недостатки системы:

1. Существует несколько не совместимых между собой протоколов которые обслуживают различные сети;

2. Работа клиента узла создает большую нагрузку на роутер.

Семантическая маршрутизация это такой алгоритм, при котором большее внимание уделяется типу запроса, нежели топологии сети. Семантическая маршрутизация улучшает традиционную маршрутизацию, располагая по приоритетам узлы и отдавая предпочтения тем узлам, которые ранее успешно предоставляли информацию.

Во второй главе описан процесс проведения адаптации комбинации методов «Распределённые хеш-таблицы» и «Семантическая маршрутизация» для совершенствования методики проектирования системы поддержки операций.

У сотового оператора Globe существует заказ на разработку системы GPRS билинга абонентов в режиме реального времени.

Пользователи оператора рассредоточены по всей территории Страны. Система Service Aware Support Node (SASN), контролирующая GPRS трафик разработана компанией Ericson (Е//). Система Web Pefference Service (WPS), хранящая данные о тарифных планах пользователей, а также о их текущем балансе, разработана компанией IBM.

Клиент-серверное (базовое) решение данной задачи представлено на рисунке 1:

Рис. 1 Клиент-серверное решение базовой системы

Системы SASN, рассредоточенные по всей территории страны, от них запросы поступают на систему поддержки операций в головной DATA центр (город Манила), где происходит их обработка по вышеуказанной схеме. При такой схеме нагрузка на узел системы поддержки операций составляет в часы пик от 250 до 400 запросов в секунду.

Основными требованиями к разрабатываемой системе являются повышенная надежность, и осуществление билинга в режиме реального времени.

Базовое решение реконструируется в следующую схему, представленную на рисунке 2.

За основу, в первую очередь, взят метод распределенных хеш-таблиц. Каждый подключённый узел системы поддержки операций является в сети является отдельным узлом. У него есть свой уникальный идентификатор.

Все абоненты в сети имеют свой идентификатор. Каждый идентификатор преобразуется через хеш-функцию.

Полученный результат будет ключом для уникального абонента в таблице. Таким образом, можно всегда сопоставить ключу реальное местоположение

данных об абоненте, а далее произвести поиск по таблице, используя данный ключ. Все узлы также используют данную хеш-функцию для преобразования 1Р адресов. Узлы формируют кольцо, в котором они идут в порядке возрастания по хеш - значению 1Р в этом кольце. Каждый узел будет обращаться к узлу, стоящему перед ним, а также опрашивать и сам себя. Таким образом, будет всегда известно, какой узел является приемником какого узла.

Рис. 2 Реконструкция базовой системы в пиринговую сеть.

При регистрация нового пользователя у оператора данная информация заносится на узел физически ближайший к тому месту где зарегистрировался. После этого узел, сгенерирует его идентификатор и пошлет свой 1Р и идентификатор своему предшественнику. Таким образом, все абоненты будут проиндексированы в хеш таблицах и равномерно распределены по всем

существующим узлам. Если 2 или более узла имеют данные об одном и том же абоненте, то ключи будут храниться в таблицах на всех этих узлах, а запрашиваемой стороне будет представлен выбор.

Как только пользователь выходит на связь в другом регионе, местному узлу требуется получить информацию об абоннете. Он берет его идентификатор и посылает запрос, который, со временем, дойдет до предшественника ресурса. Тот, в свою очередь, вернет 1Р адрес того узла, который хранит данные. Но каким образом узел запрашивает информацию именно у того узла, когда он не знает 1Р предшественника, а знает только ключ? Система имеет, специальную адресную таблицу, где каждый узел хранит знания о тех узлах, которых он знает. Такие таблицы содержат списки ключей и 1Р адреса, которые организованы таким образом, что каждый узел хранит информацию об 1Р адресах, которые стоят перед данным узлом. Запрос включает в себя 1Р узла выполняемого запрос и, когда поиск останавливается на необходимом узле, высылается ответ. При этом не требуется обратное распространение ответа через все узлы.

Когда узел присоединяется или покидает сеть, то это сопровождается серией сообщений, для перераспределения частей хеш-таблиц.

При такой схеме данные об абоненте будут хранится только на тех местных узлах, в каком регионе побывал абонент. Это позволяет значительно перераспределить нагрузку в системе поддержки операций.

С целью удешевления данного решения системы поддержки операций предлагается отказаться от использования дорогостоящего серверного оборудования и размещать программное обеспечение системы поддержки операций непосредственно на рабочих станциях в региональных офисах обслуживания абонентов. Поскольку связь на этих станициях может быть не всегда надлежащего качества помимо распределённых хеш таблиц в алгоритм встраивается семантическая маршрутизация.

Семантическая маршрутизация это такой метод, при котором большее внимание уделяется типу запроса, нежели топологии сети. Семантическая маршрутизация улучшает традиционную маршрутизацию, располагая по приоритетам узлы и отдавая предпочтения тем узлам, которые ранее успешно предоставляли информацию.

Для того чтобы обеспечить поиск информации в пиринговой сети, используя семантическую маршрутизацию, данные должны иметь семантическое описание. Одно из популярных таких решений состоит в использовании метаданных. В результате получаются удобные семантические каталоги.

Семантическая маршрутизация отличается от всех других направлений тем, что предполагаемые узлы отобраны по принципу доверительности к узлам, иными словами такие узлы быстро и качественно обработают запрос.

В третьей главе описан процесс разработки иммитационной модели и аппаратно-программного комплекса моделирования системы поддержки операций.

Для реализации данной модели были произведены следующие работы:

1. Эмуляция реальной сети с её узлами, на основе трех многопроцессорных серверов Sun Blade Х8425. На каждом из них эмулировалось до 30 узлов сети.

2. Разработка программных модулей, для эмуляции приема запросов и передачи ответов от узлов.

3. Настройка генератора нагрузки на систему.

Авторизация, или разрешение пользователю воспользоваться услугой GPRS осуществляется системой SASN по общепринятому протоколу Diameter RO.

Авторизация проходит поэтапно:

• Сначала приходит инициирующий запрос. Данный запрос согласно спецификации Diameter RO должен содержать в себе среди прочих параметров номер абонента и номер класса сервиса, который в данном случае означает сайт, на который зашел пользователь. В ответ на инициирующий запрос система, если ещё не имеет информацию о доступных юнитах для обсчета абонента, должна предоставить пользователю бесплатные 10 секунд интернет серфинга, для того, чтобы пользователю не пришлось ждать то время, пока выполнится запрос на стороне WPS.

• Вторым этапом, после истечения 10 секунд приходит запрос продолжение использования услуги. За это время система уже имеет информацию о текущем балансе пользователя и о тех промо-акциях, на которые он подписан. В случае, если у пользователя достаточно юнитов для пользования услугой, возвращается положительный ответ и выдается мандат на пользования услугой на 15 минут. Если по истечении этого времени пользователь всё ещё использует услугу, присылается очередной запрос на авторизацию. В случае, если пользователь завершил пользование услугой приходит завершающий запрос с количеством использованных юнитов.

Для каждого типа события разработан алгоритм обработки, отражающий специфику реакции узла на данное событие, изменение характеристик элементов сети и возникновение последующих событий, обусловленных данным.

Стоит отметить что модель была разработана для клиент-серверного решения и для решения, использующего оригинальный алгоритм, в целях доказательства его эффективности.

В качестве симулятора ЯАЯМ, будет служить РНР скрипт генерирующий запросы на сторону сервера.

В качестве симулятора биллинг-сервера, будет также служить PHP скрипт, который симулирует затрату времени на расчет данных и выдает определённый результат.

В качестве эмулятора работы мобильного телефона, будет служить генератор трафика jMeter, который будет отслеживать, сколько времени займет та или иная операция.

Имитационный процесс начинается с первичного наполнения очереди событий (генерации одного сетевого пакета на каждом узле сети), после чего запускается главный цикл обработки событий: из очереди выбирается первое событие и запускается соответствующий ему обработчик.

Процесс моделирования продолжается до момента накопления объема выборки, достаточного для обеспечения требуемой точности с данным уровнем

доверительной вероятности.

В четвертой главе подтверждается адекватность указанного алгоритма и аппаратно-программного комплекса для моделирования, путем сравнения статистического материала, собранного в процессе мониторинга реальной сети, с результатами моделирования аналогичной сети в программной среде.

Для оценки точности моделирования использован метод доверительных

интервалов. Для различных значений доверительной вероятности рассчитана

взаимосвязь точности и объема выборки (т.е. необходимого числа обработанных

а_ tjo*

сетевых пакетов), использован критерий Стьюдента: Отсюда с ■

Рассчитанные значения приведены в табл.1.

Таблица 1

Взаимосвязь точности моделирования и объема выборки

Объем выборки п Объем выборки п Объем выборки п

Точность £, % (1-а)=0,99 (1-а)=0,95 (1-а)=0,9

0,01 ю5 0,5* 109 108

0,1 10б 0,5* 10б 105

1 ю4 0,5*10" 103

Ввиду большого числа офисов, рассредоточеных с учетом количества активных абонентов, по всей территории страны, нагрузка на каждый узел системы поддержки операций будет не более 5 запросов в секунду. По произведенным расчетам 1 узел сможет обрабатывать такой трафик со скоростью 6.5 запроса в секунду. Результаты данных сравнения модели и реальной сети представлены в таблице 2.

Таблица 2

Проверка адекватности модели одного узла СПО

Мониторинг Моделирование

Средний коэффициент загрузки узла, % 7% CPU 5% CPU

Среднее время выполнения авторизации 15,7 сек 14,4 сек

Нагрузка системы 6,5 з/с 6,5 з/с

Количество ошибокот общего числа 0,1% 0%

Объём выборки (сессии) 1 0000 1 0000

Моделирование производилось в течение 3600 секунд.

Входные данные о миграции абонентов, собранные от опреатора представлены в таблице 3.

Статистика времени первичной авторизации абонента, при необходимости сначала получить данные с другого узла, представлена на рисунке 3.

Таблица 3

Статистика миграции абонентов между зонами действия узлов

Удалённость Процент от всех абонентов

Абонент постоянно пользуется услугой в пределах одного узла Не менее 62%

Не далее одного узла (абонент двигается пешком или на транспорте, проходя последовательно каждый соседний узел) Не более 35%

Не далее 80 узлов (абонент путешествовал, к примеру, на самолёте и вышел на связь лишь в другом регионе) Не более 2%

Количество узлов

Рис. 3 Статистика времени первичной авторизации абонента в зависимости от удаленности от домашнего узла

Как видно из рисунка 4, после реконструкции, нагрузка на каждый узел сети уменьшается более чем в 100 раз, что позволяет использовать обычные персональные компьютеры для эксплуатации данного решения.

400 350 300 250

Заявок/с 200 150 100 50

Ш Базовое решение ш После реконструкции

.<? О0 О0 .0° .0° X? .0°

Й- V ы ъ- ч,- .о- Л-

-у1- »у* ч?' "р"'

Рис. 4 Среднесуточная нагрузка сети на каждый узел для базового решения и после реконструкции

Статистический материал собран на реальной системе в рабочие дни на протяжение полумесяца.

В пятой главе приводится доказательство эффективности указанного алгоритма перед клиент-серверным решением.

Недостатки клиент-серверного решения:

• Необходимо для данной системы иметь дорогостоящее высоконадежное решение, позволяющее выдерживать нагрузку в 400 запросов в секунду. А также, в случае увеличения числа абонентов, хорошо масштаб иро ваться.

• Необходимо поддерживать надежное соединение между системой поддержки операций и 8А8Ы на длинных расстояниях.

Преимущества решения, основанного на оригинальном алгоритме:

• Отсутствие дорогостоящего оборудования для разработки системы

• Повышенная надежность, ввиду многочисленности узлов

• Отсутствие десятисекундной задержки перед инициирующем запросом

• Сокращение нагрузки на каждый узел с 400 до 5 запросов в секунду

При увеличении числа абонентов, непременно выростит число дополнительных филиалов, как следствие система будет масштабироваться автоматически.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Решена задача, имеющая существенное значение в области передачи данных, заключающаяся в сокращении времени ответа абоненту в системе поддержки операций служебных информационных сообщений.

2. Разработан метод передачи данных для сокращения времени ответа абоненту от системы поддержки операций служебных информационных сообщений на основе исследования особенностей методов передачи данных в пиринговых сетях «Распределённые хеш-таблицы» и «Семантическая маршрутизация».

3. Разработана аналитико-имитационная модель на основе аппаратно-программного комплекса для оценки показателя времени ответа абоненту системы поддержки операций служебных информационных сообщений.

4. Подтверждена адекватность моделирования и лежащего в его основе метода путем сравнения статистического материала, собранного в процессе эксплуатации реальной сети, с результатами моделирования.

5. Результаты выполненных исследований заинтересуют предприятия, основная деятельность которых связанна с предоставлениями услуг связи, а также в учебном процессе в технических ВУЗах по направлению 230201.65 «Информационные системы и технологии».

Публикации по теме диссертации:

1. Климанов В.П., Хлюпин Ф.С. Анализ эффективности маршрутизации в пиринговых сетях // Вестник МГТУ «Станкин», №4 (16), 2011 г, с. 8791.

2. Климанов В.П., Хлюпин Ф.С. Анализ эффективности технологии пиринговых сетей при распределенной обработке большого объема данных // Журнал «Естественные и технические науки» №5, 20 И г, с. 3439.

3. Хлюпин Ф.С. Маршрутизация в пиринговых сетях // Электронный журнал «Вычислительные Сети, Теория и практика», №1 (14):4.1, 2009 г, http://network-journal.шpei.ac.ru/cg¡-bin/шain.pl?l=ru&n=14&pa=4&ar=l .

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Анализ существующих решений: клиент-сервер, кластер и пиринговые сети.

1.1 Технология «клиент-сервер».

Модели взаимодействия клиент-сервер.

Достоинтво и недостатки технологии «клиент-сервер».

1.2 Технология «кластер».Л.

Типы кластеров.

Высокопроизводительные вычисления.

Многопоточные системы.

Системы высокой надёжности.

Достоинства и недостатки технологии «кластер».

Логическая структура кластера.

Устройства памяти.

Программное обеспечение.

1.3 Пиринговые сети.

Алгоритмы.

1.4 Выводы из главы 1.

Глава 2. Процесс проведения адаптации комбинации методов «Распределённые хеш-таблицы» и «Семантическая маршрутизация» для совершенствования методики проектирования системы поддержки операций.

2.1 Адаптация алгоритма «распределенные хеш-таблицы».

2.2 Адаптация алгоритма «семантическая маршрутизация».

2.3 Описание взаимодействия между Алгоритмами «Распределённые Хеш-таблицы» и «Семантическая маршрутизация».

2.4 Метод повышения эффективности доставки и обработки служебной информации на основе комбинаций методов «Распределенные хеш-таблицы» и «Семантическая маршрутизация» в пиринговых сетеях.

2.4.1 Метод передачи данных в системе поддержки операций служебных информационных сообщений основанный на семантической маршрутизации и технологии распределённых хеш таблиц.

Глава 3. Процесс разработки иммитационной модели и аппаратно-программного комплекса моделирования системы поддержки операций.

3.1 Постановка задачи моделирования.

3.2 Цель моделирования.

3.3 Алгоритм моделирования.

3.4 Описание процесса работы системы поддержки служебных информационных сообщений. писание-.протокола DiameterRO.

3.5 Методы исследования.

315.1 Экспериментальное исследование.

3;5.2 Метод; статистических испытаний.

3.5.3 Аналитическое моделирование.!.

3.6 Результаты моделирования:.

3.6.1 Клиент-серверное решение.

3.6.2 Решение, основанное на предложенном методе.

3.6.3 Переход от тестового оборудования к продакшн.

Глава 4. Подтверждение адекватности алгоритма и аппаратно-программного комплекса для моделирования.

4.1 Объект исследования.

4.2 Цель мониторинга.

413 Процесс мониторинга.

4.3 Биллинг на основе пользовательской сессии.

4.4 Пример: пользователь пользуется услугой GPRS.

4.4 Результаты мониторинга.

Глава 5. Доказательство эффективности указанного алгоритма перед базовым решением.

5.1 Недостатки базового решения:.

5.2 Преимущества решения, основанного на оригинальном методе:.

5.3 Соотношение решения, основанного на оригинальном методе с базовым решением, и возможные проблемы, связанные с внедрением.

5.4 Выводы.

В современном мире ни одно крупное предприятие невозможно представить без автоматизированной системы поддержки операций служебных информационных процессов. Практически все современные системы поддержки операций построены на основе технологии клиент-сервер, что значительно замедляет работу системы в реальном режиме времени в том-случае, если генерация заявок происходит на значительном расстоянии от системы, а также, если связь на этом расстоянии не надлежащего качества. Помимо1 этого, из-за постоянно растущего числа абонентов существенно увеличивается нагрузка на узлы сети, что приводит к значительным задержкам и перегрузкам системы. Поэтому актуальна задача поиска и обоснования использования более современных и эффективных распределенных сетевых информационных технологий, таких как пиринговые сети. Объект, исследования

Система поддержки операций служебных информационных сообщений, основанная на технологии пиринговых сетей, в частности их разновидностей: «Семантическая маршрутизация» и «Распределённые хеш-таблицы».

Цель диссертационной работы*

Сокращение времени ответа абоненту системы поддержки операций служебных информационных- сообщений за счет применения комбинации методов «Семантическая маршрутизация» и «Распределенные хеш-таблицы» при передаче данных в распределенных узлах модели пиринговой сети.

Данная комбинация методов позволит повысить быстродействие системы за счет перераспределения нагрузки на все компоненты системы и снижения нагрузки на каналы связи.

Для достижения поставленной цели были решены следующие научные и практические задачи:

1. Исследование базового клиент-серверного решения системы поддержки операций информационных служебных сообщений. Измерение времени ответа абоненту, в том числе, при локальных перегрузках.

2. Исследование особенностей методов передачи данных в пиринговых сетях, таких как «Gnutella», «Распределенные хеш-таблицы», «Семантическая маршрутизация» и «Freenet», а также исследование возможности их применения? в системе поддержки операций служебных информационных сообщений.

3. Разработка метода передачи данных, основанного на. адаптации методов «Распределённые хеш-таблицы»' и «Семантическая маршрутизация» для сокращения времени ответа абоненту от системы поддержки операций служебных информационных сообщений.

4. Разработка и исследование аппаратно-программого комплекса для оценки показателя времени ответа абоненту системы поддержки операций служебных информационных сообщений; учитывающего достоинства и недостатки комбинаций методов, выявленных в ходе исследования их особенностей.

5. Проверка на адекватность аппаратно-программного комплекса и лежащей в ее основе комбинации методов путем сравнения статистического материала, собранного в процессе мониторинга реальной сети, с результатами моделирования аналогичной сети в разработанном комплексе.

6. Обоснование области применения предложенного решения.

Методы исследования.

При выполнении диссертационной работы использовались методы теории вероятностей, математической статистики, теории случайных процессов, теории массового обслуживания, теории графов, а также инструментальное средство разработки программного обеспечения и симуляции запросов к системе (среда разработки РНР5), с получением статистической информации JMeter 2.5. Для запуска программного обеспечения использовалось современное оборудование фирмы Oracle (Sun Blade Х8420).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен метод повышения эффективности доставки и- обработка служебной информации на основе комбинаций методов «Распределенные хеш-таблицы» и «Семантическая маршрутизация» в, пиринговых сетях.

2. Разработана аналитико-имитационная модель на основе комплексного аппаратно-программного моделирования маршрутизации пакетов для управления системой поддержки операций в режиме реального времени.

3. Подтверждена адекватность указанной модели путем сравнения статистического материала, собранного в процессе мониторинга реальной сети, с результатами моделирования аналогичной сети в аппаратно-программном комплексе.

4. Доказана эффективность разработанной технологии по отношению клиент-серверным решением.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Создан аппаратно-программный комплекс моделирования маршрутизации пакетов для управления системой поддержки операций в режиме реального времени.

2. Разработан алгоритм обмена сообщениями между узлами сети, который обеспечивает сокращение времени ответа абоненту в системе поддержки операций служебных информационных сообщений.

Достоверность положений

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов определяется корректным использованием метода аналитико-имитационного моделирования. Адекватность разработанного метода и модели подтверждена путем сравнения статистического материала, собранного в процессе мониторинга реальной сети, с результатами моделирования аналогичной сети в указанном комплексе.

Апробация работы.

Основные положения, теоретические выводы, и практические рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседании кафедры «Информационные системы» ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Реализация работы

Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Информационные системы» ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин» и использованы при подготовке лабораторного практикума по дисциплине «Информационные сети» для студентов специальности 230201.65 «Информационные системы и технологии». Имеется акт о внедрении в учебный процесс;

Публикации

По. материалам диссертационной работы опубликованы 3 научные работы, включая две научные работы в рецензируемых журналах из Перечня ВАК РФ.

Основное содержание работы

В первой главе проводится анализ существующих решений: клиент-сервер, кластер и пиринговые сети, а также выявление их сильных и слабых сторон. Также, первая глава посвящена анализу алгоритмов в существующих пиринговых сетях таких как «Gnutella», «Распределенные хеш-таблицы», «Семантическая маршрутизация» и «Freenet».

Во второй главе описан метод повышения эффективности доставки и обработки служебной информации путём проведения адаптации комбинации методов «Распределённые хеш-таблицы» и «Семантическая маршрутизация» для совершенствования проектирования системы поддержки операций.

В третьей главе описан процесс разработки имитационной модели и аппаратно-программного комплекса моделирования системы поддержки у операции.

В четвертой главе подтверждается адекватность указанного алгоритма и аппаратно-программного комплекса для» моделирования, путем сравнения статистического материала, собранного В' процессе мониторинга реальной сети, с результатами моделирования аналогичной сети в программной среде.

В пятой главе приводится доказательство эффективности указанного алгоритма перед клиент-серверным решением.

На защиту выносятся:

1. Метод повышения эффективности доставки и обработки служебной информации на основе комбинаций методов «Распределенные хеш-таблицы» и «Семантическая маршрутизация» в пиринговых сетях.

2. Аналитико-имитационная модель на основе комплексного аппаратно-программного моделирования маршрутизации пакетов для управления системой поддержки операций в режиме реального времени.

3. Подтверждение адекватности и оценка точности указанного метода и программной среды моделирования на основе натурного эксперимента.

4. Доказательство эффективности разработанной технологии по отношению клиент-серверным решением.

5. Обоснование области эффективного применения предложенного метода.

Основные выводы и результаты работы

1. Решена задача, имеющая существенное значение в области передачи данных, заключающаяся в сокращении времени ответа абоненту в системе поддержки операций служебных информационных сообщений. решения и после реконструкции)

2. Разработан метод передачи данных для сокращения времени ответа абоненту от системы поддержки операций служебных информационных сообщений на основе исследования особенностей методов передачи данных в пиринговых сетях «Распределённые хеш-таблицы» и «Семантическая маршрутизация».

3. Разработана аналитико-имитационная модель на основе аппаратно-программного комплекса для оценки показателя времени ответа абоненту системы поддержки операций служебных информационных сообщений.

4. Подтверждена адекватность моделирования и лежащего в его основе метода путем сравнения статистического материала, собранного в процессе эксплуатации реальной сети, с результатами моделирования.

5. Результаты выполненных исследований заинтересуют предприятия, основная деятельность которых связанна с предоставлениями услуг связи, а также в учебном процессе в технических ВУЗах по направлению 230201.65 «Информационные системы и технологии».

1. Хлюпин Ф.С. Маршрутизация в пиринговых сетях // Электронный журнал «Вычислительные Сети, Теория и практика», №1 (14):4.1, 2009 г, http://network-journal.mpei.ac.rii/cgi-bin/main.pl?l=ru&n=14&pa=4&ar=l .

2. Официальный сайт проекта Freenet // http://freenetproject.org/

3. Страница проекта Chord*// http://pdos.csail.mit.edu/chord/

4. Даниил Кальченко «Пиринговые сети» // КомпьютерПресс http://www.compress.ru/Archive/CP/2005/10/39/

5. Официальный пресс релиз Adobe Stratus // Оффициальный сайт компании Adobe http://www.adobe.com

6. Описание DHT протокола // http://dictionary.sensagent.com/DHT/ru-ru/

7. Авен О.И., Турин A.A., Коган Я.М. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. М.: Наука, 1982. - 464 с.

8. Алиев Т.И. Математические методы теории вычислительных систем. Л.: ЛИТМО, 1979.-92 с.

9. Альянах И.Н. Моделирование вычислительных систем. Л.: Машиностроение, 1988. -224 с.

10. Барановская Т.П. и др. Архитектура компьютерных систем и сетей. / Барановская Т.П., Лойко В.И., Семенов М.И., Трубилин А.И. М.: Финансы и статистика, 2003. - 256 с.

11. Бахвалов Л.А. Моделирование систем. Учебное пособие для вузов. Изд-во МГГУ, 2006.

12. Башарин Г.П., Толмачев А.Л. Теория сетей массового обслуживания и её приложения к анализу информационно-вычислительных систем. / Итоги науки и техники / ВИНИТИ. М.:1983 т.21. с. 172-179.

13. Березина Л. Ю. Графы и их применение. М.: Просвещение, 1979, 144 с.

14. Березко М. П., Вишневский В. М., Левнер Е. В., Федотов Е. В., Математические модели исследования алгоритмов маршрутизации в сетях передачи данных. Журнал "Информационные процессы", т. 1, № 2, 2001. с. 103-125.

15. Бестугин А.Р. и др. Контроль и диагностирование телекоммуникационных сетей. / Бестугин А.Р., Богданова А.Ф., Стогов Г.В. -СПб: Политехника, 2003. 174 е.: ил.

16. Блэк Ю. Сети ЭВМ: пртоколы, стандарты, интерфейсы. М.: Мир, 1990-506с.: ил.

17. Болынев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Изд-во «наука», 1965.

18. Бусленко В. Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1977. 240 с.

19. Бусленко Н.П. и др. Метод статистических испытаний (методМонте-Карло). / Бусленко Н.П., Голенко Д.И., Соболь И.М., Срагович В.Г., Шрейдер Ю.А. / М.: Физматгиз, 1962.

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

21. Вуколов В. Э. Основы статистического анализа. Практикум по статистическим методам и исследованию операций с использованием пакетов STATISTICA® и Excel. -М.:ФОРУМ: ИНФА-М, 2004.

22. ГОСТ Р ИСО 9000-2001. Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь.

23. ГОСТ Р ИСО/МЭК 7498-1-99 Информационная технология. Взаимосвязь открытых систем. Базовая эталонная модель. Часть 1. Базовая модель

24. Данилин Г.Г., Зарвигоров Д.А. Оценка качества структур кампусных вычислительных сетей. Вестник Московского энергетического института. 2008, №2, с. 90-94.

25. Денисов Е.А. Комплексная оценка эффективности методов иерархической распределенной адаптивной маршрутизации в корпоративных вычислительных сетях. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. М.: Станкин, 2002.

26. Домрачев В.Г., Безрукавный Д.С., Калинина Э.В., Ретинская И.В., Скуратов А.К. Нечеткие методы в задачах мониторинга сетевого трафика. «Информационные технологии, 2006, №3, с. 2-10.

27. Енюков И.С., Ретинская И.В., Скуратов А.К. Статистический анализ и мониторинг Интернет-сетей. М.: Изд-во «Финансы и статистика», 2004.

28. Жожикашвили Е.А., Вишневский В.М. Сети массового обслуживания.i

29. Теория и практика применения к сетям ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988. 192 с.

30. Зайцев С.С. Описание и реализация протоколов сетей ЭВМ. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. 272 с.

31. Закер К. Компьютерные сети. Модернизация. Поиск неисправностей, СПб, БВХ-Петербург, 2002. 1008 с.

32. Зарвигоров Д.А. Разработка методики выбора структуры корпоративной информационно-вычислительной сети. Авторефератдиссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, МЭИ, 2009.

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

34. Золотов С. Протоколы Интернет. СПб.: ВНУ-Санкт-Петербург, 1998.

35. Климанов В.П. Методология анализа вероятностно-временных характеристик ЛВС составных топологий на основе аналитического моделирования. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. М.: МЭИ, 1992 г. 388с.: ил.

36. Климанов В.П. Методы разработки аналитических моделей для анализа локальных вычислительных сетей, используемых в . управлении технологическими процессами. / под ред. Еремеева А.П., М.:Изд-во .>ЛЗИ, 1995.- 115 с.

37. Климанов В.П. Разработка математических моделей и анализ эффективности вычислительных систем. / под ред. Ю.П. Кораблина. М.: ЗЯзД" во МЭИ, 1992.-103с.

38. Климанов В.П., Сутягин М.В. Корпоративные информациоНН°~ вычислительные сети. Технологии и модели. М.: ГОУ ВПО ГуН"^^ «Станкин», 2009. 243с.

39. Кокс Д., Льюис П. Статистический анализ последовательностисобытий. М.: «МИР», 1969.

40. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Изд-во «наука», 1968.

41. Шербо В.К. и др. Стандарты по локальным вычислительным сегся^л-Справочник. М.: Радио и связь, 1990. - 304 е.: ил:

42. Щербо В.К. Стандарты вычислительных сетей. Взаимосвязи сетей. Справочник М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2000, - 267 с.

43. Щербо В.К. Протоколы маршрутизации Internet. Журнал "Открытые системы" № 11-12, 1999: http://www.osp.ru/os/1999/ll-12/021.htm.

44. Юдаева Н. В. Динамическое управление маршрутизацией в сетях массового обслуживания. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Саратовский Государственный университет, 2000.

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

46. ANSI/IEEE Standard 802.1D-2004: Media access control (MAC) Bridges

47. Configuring IP routing protocols материалы сайта http://wwwxisco.eom/en/US/docs/ios/l I0/router/configuration/gde/ciproute.html

48. Gigabit Campus Network Design Principles and Architecture. Cisco Systems Inc. White paper, 1999 -http://www.cisco.com/application/pdCen/us/guest/netsol/ns432/c649/ccmigration 09186a00805fccbf.pdf

49. IEEE Standard 802.3-2005: Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications

50. Кокс Д., Лыоис П. Статистический анализ последовательности событий. М.: «МИР», 1969.

51. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Изд-во «наука», 1968.

52. Кульгин М. В. Коммутация и маршрутизация IP и IPX-трафика. М.: КомпьютерПресс, 1998, 320 с.

53. ISO/IEC 11801: Ed 2.1 2008-05. Информационные технологии. Структурированная кабельная система для помещений заказчиков. Издание 2.1.

54. ISO/IEC Standard 7498-1:1994: Open systems Interconnection Basic Reference Model

55. Pierre Francois, Clarence Filsfils, John Evans, Olivier Bonaventure Achieving subsecond IGP convergence in large IP networks -http://www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns34 l/ns524/ns610/cf-je-ccr-igp-convergence.pdf

56. Russ White. Caveats in Testing Routing Protocol Convergence // The Internet Protocol Journal Volume 8, Number 4 - http://www.cisco.com/ web/about/acl23/acl47/archivedissues/ipj8-4/testingrouting.html

57. Russ White. High availability in routing // The Internet Protocol Journal -Volume 7, Number 1 http://www.cisco.com/web/about/acl23/acl47/ archivedissues/ipj7-1 /highavailabilityrouting.html

58. Oracle CSI. Using the Diameter Ro Interface Application for Online Charging // пер. ст. из документации по протоколу DIAMETER RO. http://download.oracle.com/docs/cd/E1320901/wlcp/wlss30/programming/diamet erro.html

59. Ericsson CSI Service Aware Support Node // пер. ст. из документации по программному комплексу. http://www.ericsson.com/ourportfolio/products/service-aware-support-node-sasn?nav=fgb101214|fgb101256

60. Климанов В.П. Хлюпин» Ф.С. Анализ эффективности технологии пиринговых сетей при распределенной обработке большого объема данных // Естественные и технические науки, № 5, 2011

61. Климанов В.П., Хлюпин Ф.С. Анализ эффективности маршрутизации в пиринговых сетях // ВЕСТНИК МГТУ «Станкин», №4, 2011

62. Литвинюк А.А. JXTA: будущее пиринговых сетей// Преодическое интернет издание Одноранговые сети (Р2Р) http://p2pinside.ru/story/8 8 .html

63. RecordingControllerguiclass="RecordController" testclass="RecordingController" testname-'RecordingController" enabled="true"/> <hashTree>

64. Управление интерактивом1, array(new componentarticle( 'accounts',