Исследование методов и средств построения высокопроизводительных систем управления сетями цифровых автоматических телефонных станций

В настоящее время, как никогда актуальна задача управления сетями телекоммуникаций. Основополагающими причинами этого являются повсеместное распространение и использование сетевых технологий, жесткая конкуренция поставщиков услуг в условиях рыночной экономики и т. д. Кроме того, немалое внимание уделяется качеству услуг, предоставляемых конечному пользователю, в соответствии с ГОСТ Р ИСО 9001−2001 [7]. Очевидно, что без организации управления сетями телекоммуникаций, невозможно достичь должного уровня обслуживания потребителей.

Сеть цифровых автоматических телефонных станций (ЦАТС) является частным случаем телекоммуникационной сети, где в качестве узлов выступают ЦАТС одного или нескольких производителей.

Предварительный анализ инфраструктуры сетей ЦАТС РФ показал, что сети ЦАТС обладают следующими особенностями: сетевые устройства (ЦАТС), как правило, обладают ограниченными вычислительными мощностями,.

ЦАТС объединены в сеть надежными каналами связи высокой стоимости, сеть ЦАТС, как правило, стационарна, т. е. случаи подключения/отключения узлов к/от сети редки, сеть ЦАТС имеет высокую степень территориальной распределенности.

В этом случае, при решении задачи построения системы управления (СУ) сетью ЦАТС, не следует ориентироваться на возможность прокладки дополнительных каналов связи для организации среды передачи данных (СПД) СУ или модификации аппаратных компонент ЦАТС в силу высокой стоимости этих работ. Следует отметить, что существует способ организации СПД СУ на уже функционирующей сети ЦАТС, но способ этот дает низкую скорость передачи данных (4 кбит/с). При этом, соответственно, пересылка крупных массивов данных по сети требует больших временных затрат, что, в свою очередь, отражается непосредственно на скорости обслуживания СУ устройств. Таким образом, при разработке СУ следует уделить внимание объему данных, пересылаемых по сети в процессе управления.

В настоящее время существуют стандарты, на основе которых разрабатываются СУ сетями телекоммуникаций. Наиболее широко используемыми являются протоколы SNMP и CMIP, позволяющие программе -«менеджеру» взаимодействовать с программами-«агентами», расположенными на устройствах. Взаимодействие это осуществляется на основе метода организации систем распределенных вычислений (СРВ) «клиент-сервер" — здесь в качестве клиента выступает «менеджер», посылающий запросы «агенту», который является сервером.

При этом, анализ работ, посвященных как указанным протоколам, так и методу организации межпроцессного взаимодействия «клиент-сервер» [8, 4450, 98] показывает, что данный метод имеет ряд недостатков.

Во-первых, одним из основных недостатков является статичность предоставляемых сервером (клиентом) интерфейсов: если система уже функционирует, нет возможности «на лету» изменить действия, выполняемые сервером или клиентом, в то время как в процессе управления сетями связи зачастую возникает необходимость изменения реакции системы на события, происходящие в сети.

Во-вторых, серьезной проблемой метода «клиент-сервер» является так называемая проблема микроменеджмента [98]. Проблема эта проистекает из того, что затруднительно определить должную степень гранулярности функций сервера. К примеру, если функции, предоставляемые сервером, ориентированы на выполнение примитивных действий, то таким образом может быть достигнут достаточно высокий уровень гибкости системы, но при этом возникает сильная зависимость между клиентом и сервером: для решения сервером какой-либо задачи необходимо пошаговое управление им со стороны клиента, т. е. — микроменеджмент. Если связь между клиентом и сервером обрывается, то задача остается невыполненной. С другой стороны, как попытка избавиться от микроменеджмента, возможна реализация на сервере комплексных функций, ориентированных на выполнение сложных задач. В таком случае, «клиенту» для выполнения какой-либо определенной на сервере задачи, не требуется многократное обращение к серверу, и, таким образом, пошагового управления не происходит. При этом, однако, гибкость системы оказывается ограниченной теми задачами, решение которых реализовано в виде комплексных функций.

Непосредственно для СУ сетью ЦАТС проблема микроменеджмента актуальна еще и тем, что при объединении ЦАТС в сеть посредством низкоскоростных каналов передачи данных, и при высокой частоте обмена данными между клиентом и сервером создается значительная нагрузка на сеть, которая, в свою очередь, может существенно замедлить работу всей СУ в целом. В качестве примера можно привести процедуру обработки крупных массивов данных: если в СУ не реализованы средства обработки всего массива, а, например, как в протоколе SNMP vl. O [76, 77], реализованы только процедуры считывания одной ячейки данных, попытка обработать массив приводит к последовательным запросам к серверу в количестве, равном числу считываемых ячеек и такого же количества пересылок считанных данных, что не может не отразиться на скорости обработки данных.

Несмотря на то, что широко используемые на настоящий момент СУ сетями телекоммуникаций строятся на основе архитектуры «клиент-сервер», существуют и другие методы организации СРВ, которые относятся к области исследований мобильности кода.

Сама идея мобильности кода заключается в том, что код (или блоки кода) перемещается по сети в любой из доступных узлов и обработка данных производится на месте. Основными методами построения СРВ, базирующимися на использовании мобильного кода являются: удаленные вычисления (remote evaluation), код по запросу (code on demand), мобильные агенты (mobile agents).

Такая классификация была предложена в работах [39,42]. Также следует отметить, что исследования, проведенные в работах [39,42,74] показывают, что методы, представляющие парадигму мобильного кода, лишены недостатков, которые свойственны методу «клиент-сервер». Таким образом, весьма перспективным является исследование методов организации систем распределенных вычислений в рамках направления мобильного кода и возможности их применения при построении СУ сетью ЦАТС с целью минимизации времени обслуживания системой сетевых устройств.

Учитывая особенности сетей ЦАТС и необходимость осуществлять управление элементами сети в реальном времени, в качестве основного критерия оценки производительности СУ примем время обслуживания управляющей станцией элементов сети. Проблема микроменеджмента, свойственная методу построения СРВ «клиент-сервер», является основной причиной чрезмерной загрузки сети и, как следствие, причиной неудовлетворительного времени обслуживания устройств. Использование методов мобильного кода, в силу их особенностей, может существенно повысить производительность СУ сетями ЦАТС, сокращая время обслуживания сетевых устройств. Таким образом, на этапе проектирования СУ, весьма актуальным становится вопрос о выборе эффективного архитектурного решения, базирующегося на том или ином методе построения СРВ и позволяющего сократить время обслуживания СУ элементов сети.

Данная диссертация посвящена исследованию методов и средств построения СРВ, анализу их эффективности при использовании в СУ сетью ЦАТС с точки зрения минимизации времени обработки СУ обслуживаемых устройств и нагрузки на каналы связи, а также формализации обоснования выбора наиболее эффективного архитектурного решения, позволяющего уменьшить время обслуживания устройств и тем самым повысить производительность СУ.

Целью данной работы является сокращение времени обслуживания сетевых устройств системой управления сетью ЦАТС.

Исходя из поставленной цели, основной научной задачей является: создание методики обеспечивающей минимизацию времени обслуживания сетевых устройств системой управления при следующих исходных данных: сетевыми устройствами являются ЦАТС, управление сетью ЦАТС производится с единого центра управления, сетевые устройства объединены в сеть посредством низкоскоростных каналов связи.

Основная задача включает следующие этапы решения:

1. Анализ состояния разработок в области систем управления сетями ЦАТС.

2. Анализ методов и оценка эффективности средств взаимодействия открытых систем с целью выявления наиболее перспективных для сетей ЦАТС средств.

3. Разработка метода оценки полного объема передаваемых по сети данных.

4. Разработка метода оценки объема накладных расходов для транспортных протоколов.

5. Разработка метода оценки времени реакции системы на управляющее воздействие.

6. Разработка методики построения высокопроизводительной системы управления сетями ЦАТС.

Рамки исследования: сеть ЦАТС, телекоммуникационные протоколы и методы построения систем распределенных вычислений: «клиент-сервер», «удаленные вычисления», «код по запросу», «мобильные агенты».

Методы исследования: математическое моделирование, численный эксперимент, теория систем.

Достоверность основных положений работы и применимость предложенных методов подтверждается строгостью математических выкладок и результатами экспериментов.

Наиболее существенные новые научные положения, выдвигаемые для защиты:

1. Существующий метод построения систем управления сетями ЦАТС не обеспечивает требуемых производительности и гибкости систем управления в силу наличия проблем микроменеджмента и статичности предоставляемых интерфейсов, в связи с чем, создание методики построения высокопроизводительной системы управления сетью ЦАТС представляет собой актуальную научную задачу.

2. Адекватная оценка полного объема передаваемых по сети данных и времени реакции системы на управляющее воздействие осуществима на основе учета топологии сети, структуры потоков данных в применяемых методах построения систем распределенных вычислений и объема дополнительной информации, вводимой в целях реализации функций управления передачей данных.

3. Существенное (на 15−30%) сокращение времени обслуживания элементов сети системой управления достижимо за счет комбинирования выбора мест расположения управляющей станции, методов и средств построения систем распределенных вычислений.

Другие наиболее существенные новые научные результаты, выдвигаемые для защиты:

1. Усовершенствованные методы оценки объема передаваемых по сети данных в системах распределенных вычислений, отличающиеся от известных тем, что для случая одного устройства метод разработан на основе суммирования полных объемов передаваемых запросов и результатов, а для случая нескольких сеансов управления метод разработан на основе суммирования по количеству сеансов управления полного объема передаваемых данных во всей системе.

2. Впервые разработанные методы оценки времени обслуживания сетевых устройств для систем управления функционирующих в сетях топологий «шина», «звезда» и комбинированной топологии, посредством суммирования времен передачи полного объема данных между промежуточными узлами сети и времени обслуживания для одиночного узла, суммирования времен обслуживания узлов для случая последовательной обработки и определения максимального значения времени обслуживания узла для случая параллельной обработки.

3. Впервые разработанный метод оценки полного объема передаваемых по каналу связи данных, учитывающий ранее не оценивавшийся объем дополнительной информации, вводимой в целях реализации функций управления, посредством суммирования объемов заголовков и окончаний пакетов и объемов служебных пакетов.

4. Методика построения высокопроизводительных систем управления сетями ЦАТС отличающаяся тем, что в ней присутствует этап оптимизации архитектурного решения на основе комбинирования выбора мест расположения управляющей станции, методов и средств построения систем распределенных вычислений.

Апробация работы.

Полученные результаты обсуждались на: VI Всероссийской конференции с международным участием «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения» (Таганрог, 2003 г.), республиканской научно-практической конференции «Современные управляющие и информационные системы» (Ташкент, 2003 г.), VI международной научно-практической конференции «Информационная безопасность» (Таганрог, 2004 г.), VII Всероссийской конференции с международным участием «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения» (Таганрог, 2004 г.). Также результаты работы публиковались в сборнике научно-исследовательских работ «Новые грани познания» (Москва, 2004 г.).

Публикации. По результатам исследования опубликовано 9 печатных работ, из них 3 статьи, 6 тезисов докладов.

Содержание работы.

В первом разделе производится анализ предметной области. Изложены основные задачи управления сетями телекоммуникаций, исследован и проанализирован широко используемый в настоящее время метод построения СРВ — «клиент-сервер». На основании исследованных работ сделан вывод, что основные недостатки данного метода заключаются в проблеме микроменеджмента и статичности интерфейсов.

Исследованы особенности сетей ЦАТС РФ и возможности наложения среды передачи данных для СУ на уже функционирующие сети без прокладки дополнительных линий связи. На основании анализа сделан вывод о недостаточной эффективности применения метода клиент-сервер к управлению сетью ЦАТС. Также произведен обзор существующих методов построения СРВ в рамках парадигмы «мобильного кода» и исследованы качественные характеристики методов.

Во втором разделе разработан метод оценки полного объема данных, передаваемых по сети, для модели ISO/OSI и методы оценки полного объема данных, передаваемых по сети в случае использования при построении СУ методов «клиент-сервер», «удаленные вычисления», «код по запросу», «мобильные агенты».

В третьем разделе разработаны методы оценки времени обслуживания СУ элементов сети. Получены оценки времени реакции системы на управляющее воздействие. Разработанные методы позволили проанализировать зависимость эффективности применения методов от топологии сети. Разработана методика построения высокопроизводительных систем управления сетями цифровых автоматических телефонных станций, формализующая процедуру обоснованного выбора архитектурного решения СУ.

Четвертый раздел содержит описание и результаты применения разработанной методики при проектировании СУ сетями ЦАТС произвольной топологии. Разработанная методика позволила осуществить выбор архитектурного решения, наиболее эффективного для конкретной топологии в аспекте временных затрат на обслуживание сетевых устройств.

Заключение

содержит выводы по проделанной работе.

Выводы.

В главе рассмотрены примеры использования разработанной методики построения высокопроизводительных СУ сетями ЦАТС. Полученные результаты наглядно демонстрируют зависимость времени обработки СУ всех ЭС как от используемого метода, так и от расположения УС. Следует отметить, что экспериментальные расчеты позволяют сделать вывод о том, что различные методы построения СУ сетью ЦАТС имеют различные преимущества в зависимости от конкретных условий, и, с учетом этого, возможен лишь выбор метода, наиболее предпочтительного при заданных условиях.

Таким образом, можно сделать вывод, что существенное (15−30%, в отдельных случаях и больше) сокращение времени обслуживания элементов сети системой управления достижимо за счет комбинирования выбора мест расположения управляющей станции, методов и средств построения систем распределенных вычислений.

Заключение

.

Учитывая цель данной диссертации, основной научной задачей являлось создание методики, обеспечивающей минимизацию времени обслуживания сетевых устройств системой управления при следующих исходных данных: сетевыми устройствами являются ЦАТС, управление сетью ЦАТС производится с единого центра управления, сетевые устройства объединены в сеть посредством низкоскоростных каналов связи.

В ходе решения основной научной задачи:

— произведен анализ состояния разработок в области систем управления сетями ЦАТС. На основании результатов анализа сделано заключение, что доминирующий на нынешний момент метод построения СУ «клиент-сервер» не обеспечивает требуемых производительности и гибкости СУ в силу наличия проблем микроменеджмента и статичности предоставляемых интерфейсов, что делает актуальным выбор методов и средств, позволяющих повысить производительность СУ, т. е. актуальной является задача создания методики, позволяющей минимизировать время обслуживания СУ ЭС.

— проанализирован метод и оценена эффективность средств взаимодействия открытых систем с целью выявления наиболее перспективных для сетей ЦАТС средств.

— разработан метод оценки полного объема передаваемых по сети данных.

— разработан метод оценки объема накладных расходов для транспортных протоколов.

— разработан метод оценки времени реакции системы на управляющее воздействие.

— разработана методика построения высокопроизводительных систем управления сетями ЦАТС.

В работе показано, что:

— Адекватная оценка полного объема передаваемых по сети данных и времени реакции системы на управляющее воздействие осуществима на основе учета топологии сети, структуры потоков данных в применяемых методах построения систем распределенных вычислений и объема дополнительной информации, вводимой в целях реализации функций управления передачей данных.

— Существенное (на 15−30%) сокращение времени обслуживания элементов сети системой управления достижимо за счет комбинирования выбора мест расположения управляющей станции, методов и средств построения систем распределенных вычислений.

Наиболее существенными научными результатами диссертации являются:

— Усовершенствованные методы оценки объема передаваемых по сети данных в системах распределенных вычислений, отличающиеся от известных тем, что для случая одного устройства метод разработан на основе суммирования полных объемов передаваемых запросов и результатов, а для случая нескольких сеансов управления метод разработан на основе суммирования по количеству сеансов управления полного объема передаваемых данных во всей системе.

— Впервые разработанные методы оценки времени обслуживания сетевых устройств для систем управления, использующих исследуемые методы построения СРВ и функционирующих в сетях топологий «шина», «звезда» и комбинированной топологии, посредством суммирования времен передачи полного объема данных между промежуточными узлами сети и времени обслуживания для одиночного узла, суммирования времен обслуживания узлов для случая последовательной обработки и определения максимального значения времени обслуживания узла для случая параллельной обработки.

— Впервые разработанный метод оценки полного объема передаваемых по каналу связи данных, учитывающий ранее не оценивавшийся объем дополнительной информации, вводимой в целях реализации функций управления, посредством суммирования объемов заголовков и окончаний пакетов и объемов служебных пакетов.

— Методика построения высокопроизводительных систем управления сетями ЦАТС отличающаяся тем, что в ней присутствует этап оптимизации архитектурного решения на основе комбинирования выбора мест расположения управляющей станции, методов и средств построения систем распределенных вычислений.

В ходе работы успешно решена основная научная задача разработки методики построения высокопроизводительных СУ сетями ЦАТС и достигнута поставленная цель сокращения времени обслуживания сетевых устройств системой управления сетью ЦАТС.