Моделі та методи проектування комунікаційних систем комп'ютерних мереж масштабу підприємства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський національний політехнічний університет

Шапорін Руслан Олегович

УДК 004.732.001.63

моделІ та методи проектування комунікаційних систем комп'ютерних мереж МАСШТАБУ підприємства

Спеціальність 05.13.12 - Системи автоматизації проектувальних робіт

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса - 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

Нестеренко Сергій Анатолійович,

Одеський національний політехнічний університет, директор інституту комп'ютерних систем, професор кафедри комп'ютерних інтелектуальних систем та мереж.

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор

Апраксін Юрій Костянтинович,

Севастопольський національний технічний університет, професор кафедри кібернетики і обчислювальної техніки.

доктор технічних наук, професор

Мещеряков Володимир Іванович,

Одеська державна академія холоду, професор кафедри систем автоматизованого проектування.

Провідна установа

Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків

Захист відбудеться " 21 " 02 2007 р. о 13³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 41.052.08 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, адм. корпус, ауд. 400-а

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету (м. Одеса, пр. Шевченка, 1).

Автореферат розіслано " 15 " 01 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Савєльєва О.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

комунікаційна комп'ютерна мережа підприємство

Актуальність теми. Одним із найбільш перспективних напрямків інформатизації сучасних підприємств є створення комп'ютерних мереж масштабу підприємства різного функціонального призначення. Важливим елементом створення таких мереж є проектування комунікаційних систем, які містять у своєму складі сотні одиниць різного комунікаційного обладнання. Проектування таких систем виконується з використанням відповідних методів і інструментальних засобів, у якості яких використовуються різні системи моделювання.

Аналіз відомих підходів до створення комунікаційних систем показує, що вони ґрунтуються на структурних методах проектування, які мають велику трудомісткість обчислень, базуються на надлишкових шаблонах і не дозволяють знаходити оптимальні за критерієм "продуктивність/вартість" проектні рішення.

Тому розробка об'єктно-орієнтованих методів проектування, які мають малу трудомісткість і забезпечують побудову комунікаційних систем комп'ютерних мереж (КСКМ) масштабу підприємства, оптимальних за критерієм "продуктивність/вартість", є вельми актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи відповідає державним науково-технічним програмам, які сформульовані в законі України "Про національну програму інформатизації". Основні результати роботи отримані при виконанні планової науково-дослідної роботи № 326-62 "Апаратно-програмні засоби автоматизованих систем" Одеського національного політехнічного університету.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методів і інструментальних засобів проектування КСКМ масштабу підприємства, що забезпечують зменшення часу синтезу і дозволяють отримати оптимальні за критерієм "продуктивність/вартість" проектні рішення.

Відповідно до поставленої мети в роботі вирішуються наступні задачі:

- проведено системний аналіз архітектурних особливостей КСКМ масштабу підприємства і визначені правила вибору структури мережевих об'єктів;

- виконано аналіз джерел і ступеня впливу службового і широкомовного трафіку на характеристики функціонування комп'ютерних мереж;

- розроблено метод об'єктно-орієнтованої декомпозиції комп'ютерної мережі масштабу підприємства;

- розроблено об'єктно-орієнтовані інформаційна та математичні моделі комутаторів із напівдуплексними і дуплексними каналами зв'язку;

- здійснено розробку математичної моделі мережної транзакції, що враховує вплив службового та широкомовного трафіків;

- розроблено метод висхідного моделювання декомпозованих комп'ютерних мереж масштабу підприємства;

- розроблено метод об'єктно-орієнтованого проектування КСКМ масштабу підприємства;

- розроблено модулі автоматизованого моделювання системи проектування "OREAN";

- розроблено методики проектування, як окремих мережевих об'єктів, так і всієї комунікаційної системи підприємства з використанням системи проектування "OREAN".

Об'єктом дослідження є комунікаційні системи комп'ютерних мереж масштабу підприємства.

Предметом дослідження є об'єктно-орієнтовані моделі і методи проектування комунікаційних систем комп'ютерних мереж масштабу підприємства.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої в роботі мети використовуються наступні методи дослідження:

- системний аналіз, який застосовується для дослідження механізмів функціонування програмно-апаратних засобів КСКМ масштабу підприємства;

- об'єктно-орієнтовані методи проектування, які використовувані як основна методологія побудови моделей КСКМ масштабу підприємства;

- методи теорії обчислювальних систем і теорії масового обслуговування для побудови та розрахунку математичних моделей, що відображають імовірносно-часові характеристики функціонування КСКМ масштабу підприємства;

- методи натурного моделювання, які використовувані для верифікації розроблених моделей КСКМ масштабу підприємства.

Наукову новизну дисертаційної роботи становлять:

- вперше запропоновані продукційні правила вибору структури мереж різних рівнів ієрархії, які дозволяють синтезувати неблокуючі мережеві структури КСКМ масштабу підприємства, мінімальні за вартістю;

- вперше запропоновано метод об'єктно-орієнтованої декомпозиції комп'ютерної мережі, що дозволяє представити мережу у вигляді інформаційно квазі-ізольованих мережевих об'єктів;

- вперше запропоновано метод об'єктно-орієнтованого проектування мережевих структур, що дозволяє на основі методу об'єктно-орієнтованої декомпозиції комп'ютерної мережі та об'єктно-орієнтованих моделей комутаторів синтезувати комунікаційну систему комп'ютерної мережі, оптимальну за критерієм "продуктивність/вартість";

- удосконалено математичну модель транзакції шляхом врахування впливу службового та широкомовного трафіків, що підвищує точність розрахунку часу транзакції абонентів мережі;

- дістали подальший розвиток об'єктно-орієнтовані інформаційна та математичні моделі комутаторів, які дозволяють розраховувати характеристики функціонування як локальних, так і віддалених абонентів, підключених до комутатора.

Практичне значення отриманих результатів:

розроблено загальну структуру та блоки синтезу математичної моделі і розрахунку характеристик реального каналу зв'язку системи проектування "OREAN";

розроблено методику розрахунку об'єму буферів комутаторів КСКМ масштабу підприємства на етапах проектування і модернізації мережі;

розроблено процедуру висхідного моделювання імовірносно-часових характеристик функціонування комп'ютерних мереж;

розроблено методику проектування оптимальної за критерієм "продуктивність/вартість" структури КСКМ масштабу підприємства на етапах проектування і модернізації мережі;

методика та інструментальні засоби впроваджені при проектуванні КСКМ НВО "Харчопромавтоматика" та в навчальний процес кафедри КІСМ ОНПУ;

використання розроблених методик та інструментальних засобів дозволяє на 40 відсотків зменшити час проектування КСКМ масштабу підприємства в порівнянні зі структурними методами.

Особистий внесок автора. Наукові положення, які містяться в дисертації, отримані автором самостійно. Теоретичні і експериментальні дослідження виконані особисто автором, а впровадження розробок проводилося при його особистій участі. У роботах [1, 3-9], які виконані в співавторстві, авторові належить вибір методів досліджень, розробка і аналіз математичних моделей, обробка і аналіз результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації докладалися та обговорювалися на п'яти конференціях і семінарах, зокрема, на 5-й міжнародній конференції СІЕТ-2004 (Одеса, 2004), конференції “Донбас-2020: Наука і техніка виробництву” (Донецьк, 2004), 12-й міжнародній конференції "Автоматика-2005" (Харків, 2005), конференції "Комп'ютерне моделювання та інформаційні технології в економіці" (Харків, 2006), 2-й міжнародній конференції "Інформаційні технології в наукових дослідженнях і навчальному процесі" (Луганськ, 2006).

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 11 друкованих працях: шість статей - у професійних науково-технічних виданнях відповідно до переліку ВАК України, п'ять - у матеріалах конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 129 найменувань і двох додатків. Містить 39 рисунків і 1 таблицю. Загальний обсяг роботи становить 121 сторінку, включаючи 109 сторінок основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані основна мета і задачі досліджень, зазначений зв'язок із науковими програмами, планами і темами, сформульовані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведена інформація про впровадження результатів роботи, її апробації і публікаціях.

У першому розділі проведено системний аналіз КСКМ масштабу підприємства. Визначено складові частини об'єктно-орієнтованого підходу до проектування КСКМ масштабу підприємства.

Проведено аналіз мережевих структур, які використовуються на різних рівнях ієрархії комп'ютерних мереж масштабу підприємства. Показано, що типова структура комп'ютерних мереж масштабу підприємства містить три системи - абонентську, серверну і комунікаційну. Визначено, що основою комунікаційної системи є комутатори, і що кожен рівень ієрархії може бути побудований на основі однієї з типових структур, які використовуються на даному рівні.

На нижньому рівні ієрархії знаходяться мережі робочих груп (МРГ). На середньому рівні - мережі будинків (МБ). На верхньому рівні находиться мережа підприємства (МП) (рис. 1).

Рис. 1. Ієрархічна структура комп'ютерних мереж масштабу підприємства:

А_Р, А_Б, А_П - абоненти робочих груп, будинків і підприємства; С_Р, С_Б, С_П - сервери робочих груп, будинків і підприємства.

Виконано класифікацію мережевих структур кожного з рівнів КСКМ масштабу підприємства. Показано, що основними характеристиками комунікаційних систем є: пропускна здатність Р, продуктивність G та вартість С.

Визначено формальні правила розрахунку характеристик мережевих структур.

Пропускна здатність комутатора Р_S може бути представлена у вигляді

,

де N - кількість вхідних портів; M - кількість серверних портів; - пропускна здатність i-го вхідного порту; - пропускна здатність внутрішньої магістралі; - пропускна здатність j-го серверного порту.

Продуктивність комутатора

Q_S = 1/Т_ТР,

де Т_ТР - середній час транзакції через комутатор.

Вартість комутатора

,

де К - кількість базових портів; L - кількість факультативних портів; С_БП - вартість базового порту; С_ФП - вартість факультативного порту.

Проведено аналіз алгоритмічної структури КСКМ масштабу підприємства. Показано, що в більшості КСКМ масштабу підприємства для побудови комунікаційних систем використовуються протоколи канального рівня мережевої технології Ethernet і протоколи транспортного рівня (TCP/IP, SPX/IPX, NETBЕUI/SMB).

Проведено аналіз джерел і розміру службового та широкомовного трафіку в мережі.

Отримано формальні правила розрахунку службового та широкомовного трафіків, що проходять через комутатори мережі. Так, широкомовний трафік i-го комутатора j-го логічного сегмента l_j IP-мережі k_ij обчислюється у вигляді

,

де n₁ - кількість комутаторів; n₂ - кількість логічних IP підмереж; m - кількість джерел широкомовного трафіку підмереж l_j; d_q - q-е джерело широкомовного трафіку; ц_q - розмір широкомовного трафіку q-го джерела.

Показано, що загальний обсяг службового та широкомовного трафіку в мережі може перевищувати 10% від загального обсягу повідомлень. Відсутність урахування даного типу трафіку при моделюванні КСКМ масштабу підприємства може приводити до погрішності розрахунку в 30-40%, що істотно знижує вірогідність одержуваних проектних рішень.

Аналіз відомих методів проектування КСКМ масштабу підприємства показує, що вони містять два етапи. На першому етапі вибираються базові структури для кожного з рівнів ієрархії. На другому етапі виконується їхня структурна оптимізація. Найбільш трудомістким є другий етап, що виконується ітераційно і пов'язаний з моделюванням частини або всієї КСКМ масштабу підприємства. Для зменшення числа ітерацій на першому етапі проводиться вибір надлишкових мережевих структур. Однак, даний підхід не дозволяє одержувати оптимальних за критерієм "продуктивність/вартість" мережевих структур.

Для вирішення даної проблеми в роботі запропоновано використовувати об'єктно-орієнтований підхід, що дозволяє істотно скоротити час і підвищити якість одержаних проектних рішень. Реалізація даного підходу вимагає розробки методу об'єктно-орієнтованої декомпозиції мережі, об'єктно-орієнтованих моделей мережевих об'єктів і об'єктно-орієнтованих методів проектування КСКМ масштабу підприємства.

Виконано класифікацію трафіку для кожного рівня ієрархії КСКМ масштабу підприємства. Загальний трафік у комутаторі складається із суми внутрішнього трафіку (тобто трафіку між локальними абонентами і серверами) і зовнішнього трафіку (тобто трафіку віддалених абонентів і серверів). На рівні робочої групи типове співвідношення внутрішнього і зовнішнього трафіків становить 80/20, де перше число - процентна частка внутрішнього трафіку, а друге число - процентна частка зовнішнього трафіку. На рівні поверху типове співвідношення внутрішнього і зовнішнього трафіків становить 70/30. На рівні будинку типове співвідношення внутрішнього і зовнішнього трафіків становить 40/60. На рівні підприємства типове співвідношення внутрішнього і зовнішнього трафіків становить 20/80.

Виконана класифікація дозволяє проводити параметризацію об'єктів для кожного рівня ієрархії КСКМ масштабу підприємства.

У другому розділі розглянуто метод об'єктно-орієнтованої декомпозиції КСКМ масштабу підприємства. Визначені продукційні правила вибору структури мережевих об'єктів, розглянуті їх інформаційні і математичні моделі.

Для синтезу оптимальної за критерієм "пропускна здатність/вартість" мережевої структури визначено критерій ефективності W у наступному виді:

, (1)

де С - вартість структури; - булева змінна, що приймає значення у відповідності з наступним правилом:

,

Де N - кількість абонентів у структурі; _i - завантаження i-го порту комутатора; Р - пропускна здатність комутатора.

Виходячи з (1), необхідно синтезувати таку структуру, для якої виконується вимога по пропускній здатності ( =1), і яка має мінімальну вартість С.

Сформульовані і доведені твердження про вибір оптимальних за критерієм "пропускна здатність/вартість" мережевих структур рівня робочих груп.

На підставі доведених тверджень було запропоноване формальне продукційне правило, що дозволяє синтезувати оптимальну структуру комунікаційної мережі робочої групи:

, (2)

де S_РГі - структура мережі і-ї робочої групи, S_РГо - однорівнева структура мережі робочої групи, S_РГст - стекова структура мережі робочої групи, N_i - кількість абонентів і-ї робочої групи, M - кількість робочих груп.

На рівні мережі будинку можливе використання однорівневої, дворівневої або змішаної структури, залежно від того, застосовуються чи ні поверхові комутатори.

Сформульовано і доведене твердження про вибір оптимальних за критерієм "пропускна здатність/вартість" мережевих структур рівня будинків.

На підставі доведеного твердження введене формальне продукційне правило, що дозволяє синтезувати оптимальну структуру комунікаційної мережі будинку:

, if {М_i (К+1)/(К-1)}, then {S_ЭТі = S_О}, else {S_ЭТі = S_Д}; , (3)

де S_ЭТі - структура мережі і-го поверху; S_О - однорівнева структура мережі поверху; М_i - число робочих груп на і-му поверсі; К - відношення вартості порту комутатора будинку до вартості порту комутатора поверху; S_Д - дворівнева структура мережі поверху, N - кількість поверхів.

На рівні мережі підприємства можливе використання дворівневої зіркоподібної, послідовної або змішаної структури.

Сформульовано і доведене твердження про вибір оптимальних за критерієм "пропускна здатність/вартість" мережевих структур рівня підприємства.

На підставі доведеного твердження введене формальне продукційне правило, що дозволяє синтезувати оптимальну структуру комунікаційної мережі підприємства

, (4)

де N - кількість будинків підприємства; - вартість прокладки комунікаційного каналу між i-м та j-м будинками; - вартість порту комутатора j-го будинку для підключення мережі i-го будинку; - вартість прокладки комунікаційного каналу між i-м будинком та центральним будинком підприємства; - вартість порту центрального комутатора для підключення мережі i-го будинку; S_П - послідовна структура підключення мережі будинку; S_Д - дворівнева структура підключення мережі будинку.

КСКМ масштабу підприємства може бути розглянута як N-рівнева ієрархічна структура ( ). Вибір оптимальної структури для кожного рівня ієрархії визначається відповідно до формальних продукційних правил (2)-(4).

Для рішення задач аналізу та проектування мережі використовується метод об'єктно-орієнтованої декомпозиції КСКМ масштабу підприємства, що дозволяє представити мережу довільної структури у вигляді множини інформаційно квазі-ізольованих об'єктів, аналіз та синтез яких може проводитися автономно (рис. 2).



Рис. 2. Структура об'єктно-орієнтованої моделі комп'ютерної мережі масштабу підприємства: КМ - комутатор; ЛА - локальні абоненти; ЛС - локальні сервери; ВА - віддалені абоненти; ВС - віддалені сервери, ТРА - транзитні абоненти, ТРС - транзитні сервери, О_і - i-й об'єкт мережі.

Основу кожного квазі-ізольованого об'єкта становить комутатор, тому синтез об'єкта зводиться до синтезу структури комутатора, оптимальної за критерієм "продуктивність/вартість".

Метод об'єктно-орієнтованої декомпозиції містить шість етапів. На першому етапі формується множина комутаторів КСКМ масштабу підприємства. На другому етапі формується множина зв'язків між абонентами та серверами. На третьому етапі формуються множини локальних абонентів. На четвертому етапі формуються множини локальних серверів. На п'ятому етапі формуються множини віддалених і транзитних абонентів і серверів. На шостому етапі в кожному об'єкті виконується об'єднання множин віддалених абонентів із транзитними та віддалених серверів із транзитними оскільки це необхідно для подальшої обробки.

Інформаційна модель комунікаційного каналу представляється у вигляді вектора

I_С = <V,D>,

де V - максимальна швидкість передачі інформації в каналі; D - вектор параметрів стека протоколів, що працюють у каналі. Вектор D задається у вигляді D = < >, де Н_ПР - розмір заголовка протоколу; Н_П - розмір пакета підтвердження; Н_Ш - розмір широкомовного пакета; Н_У - розмір управляючого пакета; Н_Т - розмір технологічної паузи.

З використанням I_С визначена ефективна пропускна здатність комунікаційного каналу

,

де С - інформаційна місткість каналу

,

де М - розмір користувальницької інформації; S - розмір службової інформації.

Службова інформація містить у собі заголовки та кінцевіки протоколів, пакети підтвердження, широкомовні пакети, управляючи пакети, технологічні паузи.

Інформаційна модель мережевого об'єкта I_О представляється у вигляді зваженого графа

I_О = <А,В,М_Т>,

де А - множина вершин, що відповідає абонентам, серверам, портам і внутрішній шині комутатора; В - множина дуг, що визначає інформаційні зв'язки між елементами об'єкта; М_Т - матриця связності, що визначає розмір трафіку по кожній дузі.

Інформаційна модель I_О дозволяє розрахувати необхідні пропускні здатності портів

P_Пi = ]FП_i[

і внутрішньої шини комутатора

Р_ВШ = ][,

де FП_i - трафік через i-й порт; ] [ - оператор, що визначає найближче більше значення пропускної здатності, N - кількість портів.

На підставі запропонованого метода об'єктно-орієнтованої декомпозиції мережі були розроблені математичні об'єктно-орієнтовані моделі мережевих структур. Виходячи з інформаційної моделі, кожен об'єкт представляється у вигляді замкнутої мережі масового обслуговування (ММО), що складається з п'яти вузлів: вузла абонентів, вузла портів комутатора для абонентів і віддалених серверів, вузла внутрішньої шини, вузла серверних портів комутатора і вузла серверів.

Для кожного з вузлів був визначений тип системи масового обслуговування (СМО), що моделює роботу елементів вузла.

Оскільки абоненти є генераторами заявок, то вузли, що їх моделюють, описуються СМО з дисципліною IS (Immediately Served - "Обслуговування без затримок").

Порти і внутрішня шина комутатора є поділюваними ресурсами, тому вузли, що їх моделюють, описуються СМО з дисципліною FCFS (First Come First Serve - "Першим прийшов-першим обслуговується").

При роботі в дуплексному режимі, порти локальних абонентів обробляють пакети в темпі їхнього надходження, тому вузли, що їх моделюють, описуються СМО з дисципліною IS (Immediately Served - "Обслуговування без затримок").

Сервери також є поділюваним ресурсом, тому вузли, що їх моделюють, описуються СМО з дисципліною PS (Processor Sharing - "Розподіл процесорного часу").

На рис. 3 представлена структурна модель ММО для мережевої структури з дуплексними каналами зв'язку.

Рис. 3. Структурна модель ММО об'єкта для дуплексного режиму:

n1 - кількість локальних і віддалених абонентів; n2 - кількість портів комутатора для абонентів і віддалених серверів; n3 - кількість портів комутатора для локальних серверів; n4 - кількість локальних і віддалених серверів; F_ij - трафік між i-м та j-м вузлами.

Для розрахунку ММО використовується алгоритм аналізу середніх значень MVA (Mean Value Analysis). Були отримані аналітичні залежності для обчислення розміру завантаження m-го вузла U_m та часу транзакції заявки k-го абонента через вузол m у вигляді

,

,

для вузлів типу FCFS і PS,

,

для вузлів IS,

де - час обробки заявки k у вузлі m, без урахування часу очікування початку обслуговування; - кількість класів заявок, які оброблюються вузлом m; - кількість заявок класу k; - черга заявок у вузлі m, з якої вилучена одна заявка k-го типу.

Загальний час транзакції для k-го абонента типу визначається у вигляді

,

для напівдуплексного режиму,

,

для дуплексного режиму

де

для дисциплін FCFS і PS;

для дисципліни IS.

Для розрахунку моделі запропоновано використати наближений алгоритм Неюза-Ченді. Проведені експерименти показують, що час розрахунку об'єкта, що містить до 40 абонентів, на ПЕОМ класу Pentium IV, становить кілька хвилин. Погрішність розрахунку не перевищує 5% стосовно точного методу розрахунку MVA.

У роботі запропоновано метод висхідного моделювання. Даний метод складається з 4 етапів. Відповідно до класифікації з розділу 1, для кожного рівня ієрархії визначається співвідношення внутрішнього і зовнішнього трафіків. На першому етапі моделюються всі об'єкти рівня робочих груп. На другому етапі моделюються всі об'єкти рівня поверхів, з урахуванням даних, отриманих на попередньому етапі. На третьому етапі моделюються всі об'єкти рівня будинків, з урахуванням даних, отриманих на попередніх етапах. На четвертому етапі моделюється об'єкт рівня підприємства, з урахуванням даних, отриманих на попередніх етапах.

Проведено понад 3000 експериментів для дослідження запропонованого метода. Проводилось дослідження мереж з різними топологічними структурами. Крім того, для кожної структури виконувалось варіювання значимих параметрів - кількість абонентів, розмір пакетів, співвідношення внутрішнього і зовнішнього трафіків, часові характеристики запитів та інших. Проведено порівняння результатів моделювання висхідним та спадним методом відносно результатів моделювання мережі в цілому (без декомпозиції). Показано, що метод висхідного моделювання забезпечує найменшу погрішність (рис. 4).



Рис. 4. Залежність погрішності моделювання від рівня ієрархії об'єкта

Аналіз результатів показує, що максимальна погрішність моделювання не перевищує 7%, тоді як час моделювання скорочується в десятки разів.

У третьому розділі запропонована аналітична модель часу транзакції в реальному каналі зв'язку, отримані аналітичні залежності розрахунку обсягу буферів комутатора, розроблено метод проектування КСКМ масштабу підприємства на рівні об'єктів мережних структур.

Для проектування структури комутатора необхідно розрахувати пропускну здатність кожного порту P = (P₁, P₂,…, P_r), розміри внутрішніх буферів для кожного порту комутатора l = (l₁, l₂,…,l_k), пропускну здатність внутрішньої магістралі комутатора _М.

Для проектування КСКМ масштабу підприємства, оптимальної за критерієм "продуктивність/вартість" необхідно на рівні кожного об'єкта одержати таку структуру комутатора , де N - число комутаторів у КСКМ масштабу підприємства, для якої виконувався б критерій ефективності (1) і яка задовольняла б системі обмежень виду:

, (5)

де - час транзакції i-го абонента при даній структурі; - припустимий час транзакції i-го абонента; R - кількість абонентів мережі.

З використанням інформаційної моделі комунікаційного каналу I_С отримано аналітичний вираз для часу транзакції в ідеальному каналі зв'язку , у якому відсутні бітові помилки інформації і втрати кадрів, і який враховує час транзакції службового кадру та час транзакції кадру підтвердження

,

де - час транзакції інформаційного кадру; - імовірність транзакції службового кадру; - імовірність транзакції кадру підтвердження; К_СК - коефіцієнт, що враховує розмір кадру службового трафіку; К_КП - коефіцієнт, що враховує розмір кадрів підтвердження.

Рівень бітових помилок у каналі зв'язку й розмір буферів комутатора впливає на час мережевих транзакцій. Показано, що час транзакції в реальному каналі зв'язку визначається

, де

- час транзакції для реального каналу зв'язку мережі; - затримка транзакції, пов'язана з наявністю певного рівня бітових помилок у каналі; - затримка транзакції, пов'язана із втратою кадрів через обмежений розмір буферів комутаторів; - час транзакції в ідеальному каналі зв'язку.

Враховуючи, що затримка, пов'язана з бітовими помилками переданих кадрів, має вигляд

,

де Т_ТА - величина часу тайм-ауту; Р_БП - імовірність бітової помилки в моноканалі; Y - розмір переданого кадру, а імовірність переповнення буфера порту дорівнює

,

де L - розмір буфера порту комутатора; - величина завантаження порту комутатора, час транзакції i-го абонента в реальному каналі зв'язку з урахуванням помилок в j-ом каналі зв'язку, до якого він підключений, імовірності перевищення часом транзакції величини та імовірності переповнення буфера порту можна представити у вигляді

, (6)

Де

;

.

Вираз (6) є аналітичною моделлю розрахунку часу транзакції в реальному каналі зв'язку КСКМ масштабу підприємства для неінтелектуальних комутаторів.

Для інтелектуальних комутаторів вираз (6) може бути представлений у вигляді

,

де - час передачі кадру через i-й серверний порт.

Була проведена верифікація розроблених моделей, що проводилася по трьохетапній схемі. На першому етапі за допомогою засобів активного моніторингу в мережі генерувався відповідний трафік. За підсумками експериментів визначалися значення мережевих характеристик і виконувалася параметризація трафіку. На другому етапі з використанням даних параметризації трафіку проводився розрахунок мережевих характеристик з використанням аналітичних моделей.

На третьому етапі виконувалася оцінка погрішності моделювання. Погрішність обчислення середнього часу транзакції д_ТР оцінювалася для розрахованих з використанням аналітичних моделей () і обмірюваних експериментально () значень часу транзакції для i-х компонент КСКМ масштабу підприємства у вигляді

(рис. 5).

Результати верифікації показують, що максимальна погрішність моделювання не перевищує 8%.

Достатня для інженерних розрахунків точність обчислень із використанням аналітичних моделей дозволяє використовувати їх як основний засіб аналізу середніх значень характеристик у задачах синтезу мережевих структур різного рівня ієрархії КСКМ масштабу підприємства.



Рис. 5. Залежність погрішності моделювання від рівня ієрархії об'єкта

У роботі отримані аналітичні вирази для розрахунку розміру буферів інтелектуальних і неінтелектуальних комутаторів.

З урахуванням обмежень (5), які накладені на час транзакцій, розмір буферів комутатора, що забезпечує виконання обмежень для i-го абонента КСКМ масштабу підприємства, представляється в наступному виді

,

де

для неінтелектуального комутатора і

для інтелектуального комутатора.

Для визначення розміру буферів серверних портів комутатора використовується співвідношення

,

де N - число абонентів мережевої структури; G - число серверів мережевої структури.

Якщо комутатори підтримують можливість використання різних типів буферів для абонентських і серверних портів, то розмір буферів для абонентських портів розраховується по формулі

,

де L_i - розмір буфера i-го абонентського порту; Y_max - максимальний розмір пакета; О - розмір "вікна" підтвердження; N - кількість абонентських портів.

Запропоновано метод проектування структури комунікаційної системи комп'ютерної мережі, оптимальної за критерієм "продуктивність/вартість". Метод реалізується у вигляді спрямованої ітераційної процедури синтезу оптимальних мережевих об'єктів (комутаторів).

На першому етапі визначається множина параметрів структури КСКМ М_С, множина часових параметрів функціонування додатків М_В, множина обмежень на часи транзакції М_О, множина типів і параметрів комутаторів М_К, що використовуються при проектуванні системи.

На другому етапі виконується синтез логічної структури КСКМ. У результаті одержуємо N-рівневу ієрархічну структуру (), оптимальну за критерієм "пропускна здатність/вартість" для кожного рівня ієрархії.

На третьому етапі проводиться об'єктно-орієнтована декомпозиція КСКМ, що породжує множину інформаційно квазі-ізольованих об'єктів, аналіз і синтез яких проводиться автономно.

Для кожного об'єкта з використанням формальних правил формуються множини: локальних абонентів МА_Л; віддалених абонентів МА_В; локальних серверів МS_Л; віддалених серверів МS_В.

На четвертому етапі проводиться параметризація і будується множина інформаційних об'єктно-орієнтованих моделей об'єктів МI_O.

На п'ятому етапі виконується проектування об'єктів КСКМ, яке ґрунтується на процедурі синтезу комутатора.

Процедура виконується за три кроки. На першому кроці з використанням інформаційної моделі I_О будується логічна неблокуюча структура комутатора S_Л.

На другому кроці з використанням формальної процедури ц знаходиться мінімальне фізичне покриття, що визначає фізичну структуру S_Ф комутатора ц: S_Л>S_Ф.

На третьому кроці виконується параметрична оптимізація структури S_Ф, що складається в збільшенні пропускної здатності портів комутатора до величини, що забезпечує виконання обмежень на час транзакцій абонентів

.

На даному кроці синтезується структура комутатора, оптимальна за критерієм "продуктивність/вартість" .

Дана процедура повторюється послідовно для всіх комутаторів рівня робочої групи, формуючи множину оптимальних структур даного рівня , потім для комутаторів рівня мереж будинків і комутаторів рівня підприємства . Композиція даних множин і визначає шукану оптимальну структуру КСКМ масштабу підприємства.

У четвертому розділі розроблені методики проектування мережевих об'єктів і КСКМ масштабу підприємства в цілому.

Вихідними даними для проектування є: кількість абонентів ; кількість серверів ; кількість РГ ; топологічна структура підприємства ; інформаційні потоки між абонентами і серверами ; використовуване системне і прикладне програмне забезпечення та обмеження на час транзакцій . Усі ці множини задаються в технічному завданні.

Важливу групу вихідних даних становлять характеристики функціонування програмних додатків, до яких відносяться час обробки транзакції в абоненті ТОА, час обробки транзакції в сервері ТОС, розмір транзакції Z і інтенсивність генерації транзакції fТ.

Для визначення цих характеристик існує два способи. Перший спосіб - це технічне завдання від замовників на основі угоди про рівень сервісу (Service Level Agreement - SLA). Даний спосіб дає всі відомості, необхідні для розробки проекту КСКМ масштабу підприємства.

Другий спосіб полягає в проведенні моніторингу для визначення характеристик трафіку і, відповідно, завантаження комунікаційного обладнання.

Як інструментальний засіб аналізу мережевого трафіку використовуються мережеві аналізатори, що дозволяють одержувати такі характеристики мережевих транзакцій, як час підготовки запиту на робочій станції, час обробки запиту і підготовки відповіді на сервері і, власне, час передачі пакета по комунікаційній системі.

У дисертаційній роботі як інструментальний засіб проектування запропоновано використовувати спеціалізовану систему проектування "OREAN", розроблену на кафедрі комп'ютерних інтелектуальних систем і мереж Одеського національного політехнічного університету, що доповнена об'єктно-орієнтованими моделями комутаторів, які входять у блок синтезу математичної моделі й блоками вибору логічної і фізичної структури комутатора, що дозволяє використати її як систему проектування КСКМ масштабу підприємства. До складу системи входять наступні блоки (рис. 6).

Рис. 6. Структура системи проектування:

БСП - бібліотека структури проектів; БМП - бібліотека моделей проектів; БРМ - бібліотека результатів моделювання; СКБД - система керування базою даних.

Блок графічного інтерфейсу користувача реалізує інтерактивну взаємодію із системою на всіх етапах моделювання КСКМ масштабу підприємства. З використанням даного блоку здійснюється введення в систему досліджуваного проекту мережі.

Система керування базою даних (СКБД) забезпечує введення, зберігання і використання різними блоками системи даних про наявні типи мережевих пристроїв (робочі станції, сервери, комунікаційне обладнання, кабельні системи).

Блок синтезу логічної структури виконує в автоматичному режимі проектування логічної структури мереж різних рівнів ієрархії КСКМ масштабу підприємства.

Блок синтезу математичних моделей виконує автоматичну генерацію моделей масового обслуговування для блоків аналітичного та імітаційного моделювання, які адекватно відображають функціонування логічної структури мережі, отриманої з використанням блоку логічного синтезу або введеної через блок інтерфейсу користувача.

Блок моделювання дозволяє обчислювати імовірносно-часові характеристики функціонування КСКМ масштабу підприємства з використанням аналітичних і імітаційних методів розрахунку.

Блок розрахунку характеристик реального каналу зв'язку служить для розрахунку характеристик каналу зв'язку з урахуванням службового трафіку, кадрів підтвердження, переповнення буферів комутатора, імовірності бітових помилок і перевищення часу тайм-ауту.

Блок вибору фізичної структури комутатора дозволяє вибрати з бази даних конкретну модель комутатора, що відповідає розрахованим параметрам.

У сучасних КСКМ масштабу підприємства в якості основних базових комунікаційних пристроїв використовуються комутатори. Тому при проектуванні за основу об'єкта приймається комутатор зі своїми внутрішньою шиною, буферами портів і портами, до яких підключаються локальні і віддалені абоненти і сервера.

У роботі запропонована методика синтезу оптимальної структури комутатора, що являє собою ітераційну процедуру спрямованого вибору з обмеженим перебором.

На першому етапі на підставі інформаційної об'єктно-орієнтованої моделі I_O об'єкта визначаються необхідні пропускні здатності портів комутатора P_i ( , де R - кількість портів комутатора) і внутрішньої магістралі комутатора л_М.

На другому етапі на основі інформації з бази даних формуються впорядковані множини пропускних здатностей портів комутатора P, розмірів внутрішніх буферів портів комутатора L і пропускних здатностей внутрішніх магістралей комутатора Л

P = (p₁, p₂,…,p_n), (p_i<p_i+1) (7)

L= (l₁, l₂,…,l_k), (l_i<l_i+1) (8)

Л= (₁, ₂,…, _s), (_i<_i+1) (9)

На третьому етапі проводиться вибір необхідної пропускної здатності внутрішньої магістралі комутатора

,

де л_М - значення пропускної здатності внутрішньої магістралі комутатора, отримане на першому етапі; ] [ - оператор, що визначає найближче більше значення з множини (9).

На четвертому етапі проводиться вибір пропускних здатностей портів комутатора. Якщо комутатор підтримує неоднорідні порти, то вибираються пропускні здатності абонентських РА та серверних РС портів

РА = ]max(РА_i)[,

РС = ]max(РС_j)[ ( ; ),

де G - кількість абонентських портів; Q - кількість серверних портів; ] [ - оператор, що визначає найближче більше значення із множини (7).

Якщо комутатор не підтримує неоднорідні порти, то пропускні здатності всіх портів визначаються, як

Р = ]max(Р_i)[ ( ),

де R - кількість портів комутатора; ][ - оператор, що визначає найближче більше значення із множини (7).

На п'ятому етапі визначається оптимальний розмір буферів портів комутатора і проводиться вибір із припустимої множини буферів комутаторів , де K - число буферів, що є в наявності із множини (8); R - кількість портів комутатора.

На шостому етапі визначається мінімальне фізичне покриття логічної структури. З використанням формальних правил вибирається комутатор, параметри якого відповідають параметрам логічної структури і який має мінімальну вартість.

На сьомому етапі розраховується час транзакцій для отриманої структури. Якщо виконується обмеження (5), то отримано оптимальна за критерієм "продуктивність/вартість" структура комутатора.

Якщо обмеження (5) не виконується, то виконується збільшення пропускної здатності портів комутатора до наступного значення із множини (7) і повторюються етапи 5-7.

Методика проектування оптимальної структури КСКМ масштабу підприємства базується на методиці проектування структури комутатора, використовує як інструментальний засіб систему проектування "OREAN" і містить наступні етапи.

На першому етапі здійснюється введення в систему проектування множини параметрів структури КСКМ М_С, множини часових параметрів функціонування програмних додатків М_В, множини обмежень на час транзакції М_О, множини типів і параметрів комутаторів М_К, використовуваних при проектуванні системи.

На другому етапі з використанням продукційних правил (2)-(4) виконується вибір логічної структури КСКМ масштабу підприємства. У результаті одержуємо N-рівневу ієрархічну структуру ( ), оптимальну за критерієм "пропускна здатність/вартість" для кожного рівня ієрархії.

На третьому етапі проводиться об'єктно-орієнтована декомпозиція КСКМ масштабу підприємства, що породжує множину інформаційно квазі-ізольованих об'єктів, аналіз і синтез яких проводиться автономно.

Для кожного об'єкта з використанням формальних правил формуються множини: локальних абонентів ; віддалених абонентів ; локальних серверів ; віддалених серверів .

На четвертому етапі проводиться параметризація та будується множина інформаційних об'єктно-орієнтованих моделей об'єктів МI_O.

На п'ятому етапі виконується проектування об'єктів КСКМ масштабу підприємства на основі методики проектування структури комутатора.

Даний етап реалізується у вигляді висхідної процедури проектування. Проектування починається для об'єктів рівня робочої групи. Потім виконується для об'єктів рівня будинку і, на заключному кроці, для об'єктів рівня підприємства. Дана процедура забезпечує одержання оптимальних за критерієм "продуктивність/вартість" проектних рішень для об'єктів кожного з рівнів і одержання субоптимального проектного рішення для КСКМ у цілому.

Проведені експериментальні дослідження показують, що розроблена методика дозволяє зменшити на 40% час проектування та забезпечує одержання проектних рішень із погрішністю, що не перевищує 5% у порівнянні з оптимальними, отриманими методом повного перебору.

Розроблений метод об'єктно-орієнтованого проектування і система проектування "OREAN" були використані при проектуванні комунікаційних систем комп'ютерної мережі НВО "Харчопромавтоматика". Основні результати роботи впроваджені в навчальний процес ОНПУ і використовуються при вивченні відповідних курсів в інституті комп'ютерних систем.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена важлива науково-практична задача, пов'язана з автоматизацією процесу проектування КСКМ масштабу підприємства. Розроблено моделі, методи та інструментальні засоби проектування, які забезпечують побудову КСКМ масштабу підприємства, оптимальних за критерієм "продуктивність/вартість", і при цьому мають малу трудомісткість і час проектування.

1. Проведено системний аналіз архітектурних особливостей комп'ютерних мереж масштабу підприємства, який дозволив виділити та класифікувати за вартістю і обсягом оброблюваного трафіку мережеві структури, які використовуються на кожному рівні ієрархії КСКМ масштабу підприємства.

2. Вперше запропоновані продукційні правила, які дозволяють формальним чином вибирати мережеві неблокуючі структури різних рівнів ієрархії КСКМ масштабу підприємства, мінімальні за вартістю. Це дозволяє проектувати логічну структуру мережі, оптимальну за критерієм "пропускна здатність/вартість".

3. Удосконалено математичну модель мережевої транзакції в реальному каналі зв'язку, яка, на відміну від відомих моделей, дозволяє враховувати вплив широкомовного і службового трафіків, що дозволяє на 9% зменшити погрішність моделювання характеристик функціонування мережевих структур.

4. Вперше запропоновано метод об'єктно-орієнтованої декомпозиції комп'ютерної мережі масштабу підприємства, який дозволяє представити мережу у вигляді квазі-ізольованих мережевих об'єктів. Запропоновано процедуру ідентифікації локальних і віддалених компонентів об'єкта, що дозволяє враховувати взаємодію об'єкта з іншими об'єктами в мережі з довільною структурою.

5. Розроблено об'єктно-орієнтовані інформаційні та математичні моделі комутаторів з напівдуплексними і дуплексними каналами зв'язку. Моделі дозволяють виконувати параметризацію та розрахунок імовірносно-часових характеристик функціонування КСКМ з урахуванням параметрів, що істотно впливають на їхню продуктивність.

6. Вперше запропоновано об'єктно-орієнтований метод висхідного моделювання КСКМ масштабу підприємства. За рахунок запропонованих процедур параметризації об'єктів верхніх рівнів на підставі розрахованих характеристик об'єктів нижніх рівнів, метод забезпечує високу точність розрахунків (погрішність менш 7%) і дозволяє на 90% скоротити час розрахунку в порівнянні з методами моделювання всієї мережевої структури.

7. Розроблено метод об'єктно-орієнтованого проектування КСКМ, що дозволяє виконувати синтез комунікаційної системи довільної структури на рівні складових її об'єктів. Метод базується на розроблених математичних моделях, об'єктно-орієнтованих методах декомпозиції і моделювання, забезпечує одержання оптимальних за критерієм "продуктивність/вартість" проектних рішень і дозволяє на 40% скоротити час проектування в порівнянні з відомими структурними методами синтезу КСКМ.

8. Розроблено блоки синтезу логічної структури, моделювання, вибору фізичної структури комутатора автоматизованої системи проектування "OREAN".

9. Розроблено методику проектування КСКМ масштабу підприємства з використанням системи проектування "OREAN". Методика та інструментальні засоби впроваджені при проектуванні КСКМ НВО "Харчопромавтоматика". Розроблені моделі, методи та інструментальні засоби використаються в навчальному процесі при вивченні курсів "Проектування комп'ютерних систем та мереж", "Дослідження і проектування комп'ютерних систем та мереж", "Мережі ЕОМ", "Комп'ютерні мережі" в інституті комп'ютерних систем ОНПУ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Опыт использования современных систем моделирования для анализа вычислительных сетей / Рувинская В.М., Шапорин Р.О. // Труды Одесского политехнического университета, № 1(7), 1999 - С. 202-206

2. Задачи оптимизации сетей / Шапорин Р.О. // Труды Одесского политехнического университета, № 2 (8), 1999- С. 133-134

3. Метод расчета сетевых транзакций абонентов локальных компьютерных сетей / Нестеренко С.А., Бадр Яароб, Шапорин Р.О. // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы, №2 (12), 2003 - С. 78-80

4. Информационная технология динамического синтеза сети АСУ предприятия / Нестеренко С.А., Копытчук Н.Б., Шапорин Р.О. // Електромашинобудування та електрообладнання, № 62, 2004 - С. 145-148

5. Технология развития корпоративных компьютерных сетей автоматизированных систем / Нестеренко С.А., Шапорин Р.О., Дака Маен // Електромашинобудування та електрообладнання, № 65, 2005 - С. 61-64

6. Объектно-ориентированные модели корпоративных компьютерных сетей / Нестеренко С.А., Шапорин Р.О., Дака Маен // Труды Одесского политехнического университета, Спецвыпуск, 2006 - С. 92-96

7. Информационная технология динамического проектирования корпоративных компьютерных сетей / Нестеренко С.А., Бадр Яароб, Шапорин Р.О. // Тез. док. 5-ї міжнар. конф. СІЕТ, 2004 - С. 76

8. Информационная технология построения и развития корпоративных компьютерных сетей АСУ предприятия / Нестеренко С.А., Бадр Яароб, Шапорин Р.О. // Тез. док. конф. "Донбас 2020", 2004 - С. 145-149

9. Информационная технология развития компьютерных сетей автоматизированных систем / Нестеренко С.А., Дака Маен, Шапорин Р.О. // Тез. док. 12-ї міжнар. конф. "Автоматика-2005", м. Харків, 2005 - Т.3. - С. 106-107

10. Технология проектирования корпоративных компьютерных сетей / Шапорин Р.О. // Тез. док. конф. "Комп'ютерне моделювання та інформаційні технології в економіці", м. Харків, №6, 2006 - С. 14-15

11. Технология проектирования коммуникационных систем компьютерных сетей / Шапорин Р.О. // Тез. док. 2-ї міжнар. конф. "Інформаційні технології в наукових дослідженнях і навчальному процесі", м. Луганськ, 2006 - Т.2 - С. 186-190

АНОТАЦІЇ

Шапорін Руслан Олегович. Моделі та методи проектування комунікаційних систем комп'ютерних мереж масштабу підприємства. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 - Системи автоматизації проектувальних робіт. Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2007.

У дисертації запропоновано рішення важливої науково-практичної задачі, пов'язаної з автоматизацією процесу проектування КСКМ масштабу підприємства. Розроблено моделі, методи та інструментальні засоби проектування, які забезпечують побудову КСКМ масштабу підприємства, оптимальних за критерієм "продуктивність/вартість", і при цьому мають малу трудомісткість і час проектування.

Запропоновані продукційні правила, які дозволяють формальним образом вибирати мережеві неблокуючі структури різних рівнів ієрархії КСКМ масштабу підприємства, мінімальні за вартістю. Удосконалено математичну модель мережевої транзакції в реальному каналі зв'язку. Запропоновано метод об'єктно-орієнтованої декомпозиції комп'ютерної мережі масштабу підприємства. Розроблено об'єктно-орієнтовані інформаційні та математичні моделі комутаторів. Запропоновано об'єктно-орієнтований метод висхідного моделювання КСКМ масштабу підприємства. Розроблено метод об'єктно-орієнтованого проектування КСКМ, який забезпечує одержання оптимальних за критерієм "продуктивність/вартість" проектних рішень та дозволяє на 40% скоротити час проектування в порівнянні з відомими структурними методами синтезу КСКМ.

...