Алгоритмы анализа IP-трафика центра информационно-коммуникационных технологий технопарка Мьянмы

Активное развитие информационных технологий и расширение объемов информационных услуг основываются в значительной мере на научно-технологических разработках в области телекоммуникационных сетей. По данным последних исследований, приблизительная динамика роста Интернет-трафика за последние десять лет составляет 70−150% в год, т. е. в среднем каждый год количество информации, передаваемой через сеть, удваивается. Развитие телекоммуникационных сетей обусловливает необходимость исследований, разработок и внедрения новых технологий, анализа, оптимизации режимов их функционирования. Объем трафика в распределённой сети становится соизмеримым с объемом трафика всех других каналов обмена информацией и превращается в главный рыночный фактор, оказывающий определяющее влияние на экономическую эффективность телекоммуникационной отрасли. По мере того как трафик данных заполнял Интернет и внутрикорпоративные сети, стало очевидным, что фундаментом развития распределенных информационно-вычислительных сетей, безусловно, являются технологии, основанные на протоколе 1Р, который обеспечивает поддержку приложений для глобальных и внутрикорпоративных сетей, в том числе: интеграцию голоса, мультимедиа, новостных каналов и других данных.

Особую роль среди современных 1Р-технологий играет клиент-серверная архитектура (КСС) — неотъемлемая часть современных распределённых информационно-вычислительных систем. Она создала новые возможности для разработчиков аппаратных и программных средств. В основу технологии был положен принцип распределения — один из основных двигателей прогресса в информационной индустрии. Полное отделение реализации исполняемых функций от интерфейса для доступа к ним дало мощный толчок инновационной деятельности разработчиков программного обеспечения. Однако стремительное внедрение клиент-серверной архитектуры в различные отрасли человеческой деятельности породило ряд проблем, связанных, как правило, с перегрузкой серверов и, как следствие, выходом их из нормального режима функционирования. Для клиент-серверной технологии именно ситуации перегрузки серверов являются наиболее опасными, так как в этом случае не могут работать нормально и все клиенты. Все это требует проведения экспериментальных исследований свойств сети, причем не только в режиме оперативного мониторинга, но и для более глубокого изучения, в частности, с целью прогнозирования их поведения. С этим же связана и задача совершенствования соответствующего научно-методического и программного обеспечения анализа и моделирования трафика.

Адекватные модели трафика и методики, обеспечивающие получение оценок характеристик сетевых взаимодействий, играют важную роль в ускорении эволюции современных сетевых технологий. Теоретический и экспериментальный анализ сетевых процессов приобретает особое значение по сравнению с классическими математическими моделями прошлых лет.

В последние годы обострилась ещё одна проблема, связанная с развитием информационно-вычислительных сетей. Это проблема запрещённых воздействий (атак) на сеть. Проблема заключается в том, что, как правило, атаки и угрозы работоспособности сети не всегда заметны и в то же время являются весьма опасными, так как типичные сценарии атак на сеть далеко не всегда оказывают существенное видимое влияние на суммарную интенсивность трафика.

Работы по данной проблеме велись и ведутся весьма интенсивно как российскими, так и зарубежными учеными. В частности, общие вопросы моделирования сложных дискретных систем и процессов рассматривались В. В. Емельяновым и С. И. Ясиновским. Протоколы TCP/IP описаны А. Ф. Брежневым и Р. Л. Смелянским, язык GPSS World описан в руководстве Minuteman Software. Вопросы моделирования беспроводных сетей с децентрализованным управлением исследовались В. М. Вишневским, А. И. Ляховым, Б. Н. Терещенко. Сети массового обслуживания, теория и применение к сетям ЭВМ изучались в работах В. А. Жожикашвили и В. М. Вишневского. Оценке производительности распределенных систем посвящены работы Л. Б. Богуславского, А. И. Ляхова. Отдельные вопросы моделирования и исследования информационно-вычислительных систем архитектуры «Клиент-сервер» рассматривались в работах российских учёных Л. И. Абросимова, С. Г. Калашникова, Д. С. Репина, Со Мин Туна, Г. Ф. Филаретова, С. И. Долганюка, В. В. Крылова, Н. И. Федунец, Л. Д. Певзнера, В. М. Лохина, О. И. Шелухина, A.B.Осина, А. К. Скуратова, Н. А. Олифер, В. Г. Олифер, В. В. Куприянова и зарубежных ученых — М. Шварца, К. Парка, Дж. Медхи и др.

Тем не менее многие вопросы, связанные с IP-трафиком, либо исследованы недостаточно полно, либо ориентированы на решение относительно узких прикладных задач. В частности, отсутствуют комплексные методики организации и моделирования трафика, обобщающие накопленный к настоящему времени опыт их проведения. Достаточно ограничен перечень статистических методов, используемых при обработке данных, характеризующих интенсивность трафика. Почти не изучены вопросы оптимизации трафика в клиент-серверных сетях. Мало исследованы работы, связанные с защитой от спама. Все это свидетельствует о необходимости дальнейшего развития исследований по данной проблематике.

Целью работы является построение адекватной имитационной модели, анализ и оптимизация режимов функционирования клиент-серверной сети центра информационно-коммуникационных технологий Мьянмы на основе объективных критериев, корректно характеризующих топологию сети и особенности IP-трафика сетевых каналов передачи данных.

В соответствии с указанной целью в рамках диссертационной работы решались следующие задачи:

1. Анализ общей информации о Мьянмском Информационном и Коммуникационном Центре (МИКЦ), описание его функций и топологии информационно-вычислительной сети, анализ основных требований к функционированию информационно-вычислительных сетей (ИБС).

2. Анализ особенностей сетевого трафика, общая характеристика состояния проблемы исследования, систем и методов моделирования трафика в клиент-серверных сетях центра информационно-коммуникационных технологий Мьянмы.

3. Формирование критерия оптимизации структуры расположения сетевых ресурсов информационной сети МИКЦ и критерия оптимизации режима функционирования клиент-серверной сети с учётом естественных ограничений системы, таких как пропускная способность каналов, ограничения на распределение ресурсов, диктуемых структурой сети и мощностью оборудования.

4. Разработка метода и алгоритма оптимизации режима функционирования клиент-серверной сети на основе имитационного моделирования по критерию максимальной суммарной прибыли с учётом реальных ограничений на производительности серверов и пропускные возможности каналов связи.

5. Методы и алгоритмы моделирования процесса функционирования системы «Спамооборона» в клиент-серверной сети для контроля прохождения электронных писем через систему, включающую сервер балансировки нагрузки, сервер проверки на наличие в «черных» списках адреса отправителя, сервер проверки массовости, сервер проверки содержимого.

В соответствии с целями и задачами диссертационной работы, объектом исследования является информационно-коммуникационная сеть МИКЦ, а предметом исследования — свойства данной сети.

Методы исследования. В работе использованы теоретические методы и средства системного анализа, элементы теории компьютерных сетей, методы математической статистики, имитационного моделирования и теории вероятностей.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Комплексная методика оптимизации структуры расположения сетевых ресурсов информационной сети, отличающаяся от существующих введением матриц, описывающих топологическую структуру сети, и естественных ограничений системы, таких как пропускная способность каналов, ограничения на распределение ресурсов, диктуемых структурой сети и мощностью оборудования.

2. Методы, алгоритмы и критерии оптимизации режима функционирования клиент-серверной сети на основе имитационного моделирования по критерию максимальной суммарной прибыли с учётом реальных ограничений на производительность серверов и пропускные возможности каналов связи, отличающиеся тем, что впервые построена регрессионная зависимость критерия оптимизации от параметров сети технопарка.

3. Алгоритмы моделирования и анализа процесса функционирования системы «Спамооборона» в информационно-коммуникационной сети, позволяющие оценить эффективность работы инструментально-программного комплекса (ИПК) защиты от спама.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждаются: работами по экспериментальному исследованию и моделированию 1Р-трафика, показывающими адекватность предложенных моделей информационно-коммуникационных сетей технопарка Мьянмы с достаточной для реального использования точностью (критерий Фишера построенных регрессионных уравнений больше теоретического значения с уровнем значимости Рдов -0,95 или уровнем риска 5%).

Научная новизна работы:

1 .Представление структуры сетевых ресурсов информационно-коммуникационной сети в виде совокупности матриц, включающих в себя характеристики Информационно-коммуникационных сетей (ИКС), ресурсы и ограничения на их расположение.

2. Математические модели и критерии оптимизации режима функционирования клиент-серверных сетей (КСС) на основе имитационного моделирования и регрессионной зависимости критерия оптимальности от параметров сети.

3. Методика моделирования процессов функционирования системы «Спамооборона» в клиент-серверной сети.

Научная значимость работы состоит в разработке научно обоснованной комплексной методики и алгоритмов оптимизации структуры и режимов функционирования информационно-коммуникационных сетей на основе методов и средств системного анализа.

Практическая значимость работы заключается в разработке инструментально-программных средств моделирования и оптимизации режимов функционирования клиент-серверных сетей с целью повышения их производительности.

Результаты, полученные в диссертации, используются на практике в центре информационно-коммуникационных технологий МИКЦ Мьянмы, компьютерных телекоммуникационных сетях Московского государственного горного университета (МГГУ), а также в учебном процессе кафедры АСУ МГГУ по дисциплине «Компьютерное моделирование» для магистров, обучающихся по направлению «Компьютерное моделирование».

Апробация диссертации. Основные результаты диссертации и ее отдельные положения докладывались на научных семинарах кафедры АСУ МГГУ и международных симпозиумах «Неделя горняка» (20 092 012 гг., Москва).

Публикации. По результатам исследований опубликованы 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 53 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 54 наименований и 3 приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи, связанной с развитием методов и алгоритмов анализа качества функционирования, прогнозирования свойств и оптимизации трафика клиент-серверной сети центра информационно-коммуникационных технологий технопарка Мьянмы.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором:

1. Разработана комплексная методика оптимизации структуры расположения сетевых ресурсов информационной сети МИКЦ на основе представления в виде системы двух матриц и естественных ограничений системы, таких как пропускная способность каналов, ограничения на распределение ресурсов, диктуемых структурой сети и мощностью оборудования.

2. Разработаны и исследованы методы, алгоритмы и критерии оптимизации режима функционирования клиент-серверной сети на основе имитационного моделирования по критерию максимальной суммарной прибыли с учётом реальных ограничений на производительность серверов и пропускные возможности каналов связи.

3. Разработаны алгоритмы и программы имитационного моделирования клиент-серверных сетей. Проведён анализ работоспособности алгоритмов и программ на реальных задачах, связанных с исследованием и анализом клиент-серверной сети 1.

4. Алгоритмы моделирования и анализа процесса функционирования системы «Спамооборона» в информационно-коммуникационной сети.

5. Разработаны инструментально-программные средства моделирования, анализа, синтеза и оптимизации режимов функционирования ИКС на универсальных языках моделирования и на СР88 с целью повышения производительности клиент-серверных сетей.