Алгоритмы многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей

Актуальность проблемы. В настоящее время развитие телекоммуникационных технологий меняет подход к проектированию, построению и модернизации большинства корпоративных территориально-распределенных сетей, которые становятся все более сложными и масштабными с точки зрения их инфраструктуры и используемых сервисов. Проектируемые и строящиеся корпоративные сети нового поколения, как правило, основываются на концепции Broadband Convergence Network, предполагающей конвергенцию гетерогенных данных в единую сетевую среду. В тоже время большинство существующих моделей телекоммуникационных сетей из-за имеющихся ограничений позволяют решать лишь отдельные частные вопросы, поэтому актуальной научной задачей является разработка новых моделей таких сетей с целью улучшения их технических характеристик.

Как правило, корпоративная телекоммуникационная сеть включает в себя тысячи самых разнообразных компонентов и для ее эффективного моделирования такую сеть в большинстве случаев целесообразно представлять в виде иерархической многоуровневой структуры. Как показывает практика, разработчикам наиболее удобно представлять сеть с помощью графа, который позволяет наглядно увидеть связи, а методы теории графов — эффективно проводить оптимизацию, при этом имеется возможность анализировать как отдельные подграфы так и сеть в целом, а для этого необходима разработка графовой модели корпоративной телекоммуникационной сети.

При создании крупных территориально-распределенных сетей процесс их разработки и ввода в действие охватывает большой интервал времени и, соответственно, возникают проблемы создания сети как развивающейся системы. Необходимо учитывать рост потребностей абонентов в переработке информации с течением времени, изменение технико-экономических характеристик средств сети, в ряде случаев отсутствие достоверных исходных данных. Для разрешения этих проблем требуется проводить многовариантные расчеты, которые должны проводиться в режиме диалога, а при определении характеристик сети нужно располагать соответствующими вспомогательными моделями и алгоритмами их расчета. Следовательно, при моделировании корпоративной сети должна быть обеспечена возможность проведения таких вычислений.

Решение поставленной научной задачи на основе многоуровневого моделирования во многом определяет конечный результат процессов разработки корпоративных телекоммуникационных сетей, позволяя наиболее полно и эффективно учитывать сетевые параметры, обеспечивая уже на ранних стадиях реализации конкретной сети достижение необходимого уровня качества.

При решении данной научной задачи автор в своих исследованиях опирается на труды российских и зарубежных ученых, которые внесли большой вклад в развитие телекоммуникационных сетей — Л. Клейнрок, А. Гарсиа-Диас, В. М. Вишневский, А. И. Герасимов, А. И. Русаков, А. Н. Назаров, Ю. В. Семенов, В. Столлингс, Г. П. Башарин, Г. Хелд, Д. Г. Михалев, Д. Филлипс, И. А. Мизин, О. И. Бронштейн, С. Фейт, Эд. Уилсон и другие ученые.

Проводимые исследования актуальны как в настоящее время, так и на обозримую перспективу развития сетей телекоммуникаций.

Цель и задачи исследований

Цель исследования заключается в повышении эффективности процессов проектирования, функционирования, и развития корпоративных телекоммуникационных сетей за счет разработки новых моделей и алгоритмов, обеспечивающих многоуровневое моделирование корпоративных телекоммуникационных сетей, формирование множества возможных решений на основе графовой модели сети и выбор базового варианта сети из множества полученных рациональных вариантов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1) проанализировать тенденции развития телекоммуникационных сетей и определить особенности современной корпоративной телекоммуникационной инфраструктурыпровести анализ проблем моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей, выявить предъявляемые к ним требования и определить критерии оценки качества, а так же требования, предъявляемые к моделям таких сетей;

2) разработать многоуровневую графовую модель корпоративной телекоммуникационной сети и алгоритм ее реализации;

3) разработать алгоритм формирования возможных вариантов сети на основе многоуровневой графовой модели;

4) разработать алгоритмы анализа графовой модели сетирасчета сетевых параметроввыбора базового варианта сети из множества рациональных вариантов;

5) разработать методику оценки обобщенного показателя точности многоуровневой графовой модели сети;

6) разработать программное обеспечение, реализующее процесс многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей.

Объект исследования — корпоративные телекоммуникационные сети.

Предметом исследования являются методы и модели анализа, исследования и моделирования масштабных гетерогенных корпоративных телекоммуникационных сетей.

Методы исследования. В работе использованы методы теории сложных систем, теории графов, систем и сетей массового обслуживания, методы математического моделирования, принятия решений и оптимизации, теория вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) разработана многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети и алгоритм ее реализации, которая позволяет эффективно моделировать как сеть в целом, так и ее элементы и проводить многовариантные расчеты;

2) разработан алгоритм формирования возможных сетевых вариантов на основе многоуровневой графовой модели корпоративной телекоммуникационной сети, который определяет процесс разработки и конечный результат создания сети;

3) разработаны алгоритмы анализа графовой модели сети и расчета сетевых параметров, с помощью которых можно эффективно решать поставленные перед проектировщиками сетей задачи, при сокращении требуемых вычислительных ресурсов;

4) разработан алгоритм выбора базового варианта корпоративной телекоммуникационной сети, позволяющий проводить моделирование в режиме диалога и использовать при этом творческие возможности проектировщика.

Практическая значимость работы состоит:

— в создании программного обеспечения, реализующего процесс многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей;

— в разработке методических материалов по моделированию телекоммуникационных сетей;

— в возможности использования разработанного математического аппарата в автоматизированных системах проектирования телекоммуникационных сетей;

— результаты диссертационной работы могут быть полезны сетевым администраторам, так как позволяют проводить исследования и анализ сетей, оценивать необходимые сетевые параметры и характеристики.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1) многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети и алгоритм ее реализации;

2) алгоритм формирования возможных сетевых вариантов на основе многоуровневой графовой модели сети;

3) алгоритмы анализа графовой модели и расчета параметров корпоративной телекоммуникационной сети;

4) алгоритм выбора базового варианта сети.

Реализация результатов диссертационной работы

Основные результаты исследований использовались:

— в ФГУП Межотраслевой НИИ «Интеграл», что позволило эффективно оптимизировать сеть предприятия с учетом решаемых задач и улучшить технические характеристики сети;

— в ЗАО БАТАТЕЬ, что позволило увеличить производительность сети на 15%;

— в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)» при изучении дисциплин «Моделирование компьютерных сетей и телекоммуникационных систем», «Вычислительные системы», «Теория проектирования систем и сетей», «Методы оптимизации» при подготовке специалистов, бакалавров и магистров по направлению подготовки

230 100 «Информатика и вычислительная техника» и специальности

230 101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы опубликованы в рецензируемых научно-технических журналах, докладывались и обсуждались:

• на международной научно-технической конференции «International conference in informatization and telecommunication», Ruen (France), 2011;

• на заседаниях научно-технического совета МНИИ «Информика»;

• на научном семинаре кафедры «Вычислительные системы и сети» МИЭМ.

Достоверность научных результатов подтверждается:

— данными об успешном практическом применении результатов диссертации при разработке сетей;

— корректностью вывода математических зависимостей для расчета сетевых параметров и характеристик;

— полученные научные результаты обеспечены математическими доказательствами или экспериментальной проверкой и согласованы с имеющимися результатами других авторов, опубликованными в отечественной и зарубежной литературе.

Приоритет практических решений подтвержден авторскими свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ и базы данных.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и двух приложений, содержит 27 рисунков и 8 таблиц. Основной текст диссертации изложен на 149 страницах.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе в соответствии с поставленной научной задачей, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Проведен анализ перспектив и тенденций развития телекоммуникационных сетей, исследованы характеристики таких сетей, определены предъявляемые к ним требования и основные критерии оценки качества.

2. Определены основные свойства и разработана многоуровневая графовая модель корпоративной телекоммуникационной сети, а также алгоритм ее реализации.

Множество вершин графовой модели соответствуют задачам разработки сетей, множество дуг включает множество параметров сети и информационных связей. Графовая модель сети позволяет эффективно моделировать сети и сетевые элементы, проводить многовариантные расчеты, принимать стратегические решения как для отдельных уровней иерархии или даже отдельной задачи, так и для всей сети, требуя меньше вычислительных ресурсов. С помощью многоуровневой графовой модели разработку сети можно начать с любой задачи, которой соответствует вершина графа (одна или несколько). Разработан алгоритм реализации графовой модели сети (алгоритм реализации свойства развития графовой модели), который позволяет вносить изменения и дополнения в графовую модель сети. В основу алгоритма положен метод многоальтернативного распознавания многомерных образов с использованием критерий максимального правдоподобия, так как этот критерий допускает простое и транзитивное обобщение на многоальтернативный случай. Принятие решения о классификации новой задачи сводится к определению меры ее вероятностной близости к тому или иному классу (подклассу) имеющих в графовой модели задач, т. е. вершин графа. Предложена методика оценки обобщенного показателя точности многоуровневой графовой модели корпоративной телекоммуникационной сети. Обобщенный показатель точности складывается из единичных информационных показателей погрешностей по каждой переменной, значимость которых в большинстве случаев зависит от конкретной задачи моделирования и последующей разработки сети.

3. Разработан алгоритм формирования возможных сетевых вариантов на основе графовой модели, определяющий процесс и конечный результат разработки сети.

4. Научно обоснованы и разработаны: алгоритмы расчета параметров корпоративных телекоммуникационных сетей по каждому уровня иерархии, необходимые для расчета: аппаратурной надежности корпоративной сети и вероятности безотказной работы элементов сетизадержки передачи сообщений в сетяхвремени реакции ОС при решении корпоративных задачсреднего времени выполнения СУБД запросов к РБД при оптимизации размещения файлов и обработки запросов к СУБДрационального распределения системных сервисов в соответствии с сетевыми ресурсамисреднего времени решения корпоративных задач конкретной предметной области. алгоритм анализ графовой модели сети, который позволяет

47 Л I/ осуществлять декомпозицию структуры многоуровневой графовой модели сети с учетом числа разрываемых связей, анализировать отдельные подграфы, устанавливать и анализировать множественные связи и параметрические зависимости между вершинами (задачами) графа. алгоритм согласования сетевых параметров, который позволяют учитывать единицы измерения входных и выходных параметров сети при решении различных задач моделирования.

Алгоритмы эффективны с точки зрения требующихся вычислительных ресурсовэксперименты показали, что погрешность лежит в пределах 2−5%.

5. Определены и исследованы условия принятия сетевых решений, возникающие при моделировании и последующей реализации сетей. Разработан алгоритм принятия базового варианта сети, позволяющий из множества имеющихся рациональных альтернатив выбрать базовый вариант сети, используя при этом творческие возможности проектировщика. Исследование подходов для решения задачи выбора варианта сети при ее моделирования в условиях неопределенности исходной информации показал целесообразность двухэтапного процесса принятия решения. На первом этапе определяется множество рациональных сетевых решений, на втором — принимается базовый вариант сети. Для этого наиболее эффективным является использование метода анализа платежных матриц с выделением главного критерия и метода минимального расстояния, соответственно. Алгоритм не предъявляет высоких требований к программной реализации системы, производящей анализ и выбор альтернативных вариантов, позволяет оптимизировать выбор базового варианта сети, сократив при этом сроки и затраты на создание сетей от 15% до 45% в зависимости от решаемых задач.

6. Разработано программное обеспечение, реализующее процесс многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей, являющееся практическим подтверждением решения поставленной научной задачи. Применение разработанного ПО позволяет сократить сроки моделирования и разработки сетей: при практическом использовании результатов работы удалось повысить эффективность функционирования сети ФГУП МНИИ «Интеграл» на 20%, а производительность сети ЗАО DAT ATEL — на 15%.

Полученные значения к качеству сетевых услуг реальных сетей для различных типов информации полностью соответствуют требованиям согласно рек. МСЭ-Т G.1010.

Таким образом, в диссертационной работе была решена актуальная научная задача, имеющая важное теоретическое и практическое значение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ