Методологія та інструментарій проектування корпоративних мереж

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

УДК 681.3

Методологія та інструментарій проектування корпоративних мереж

05.12.02 - «Телекомунікаційні системи та мережі»

дисертації на здобуття наукового ступеню

доктора технічних наук

Лунтовський Андрій Олегович

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі інформаційно-телекомунікаційних мереж Інституту телекомунікаційних систем Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор ГЛОБА Лариса Сергіївна, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", завідувач кафедри інформаційно-телекомунікаційних мереж.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ДОРОВСЬКИХ Анатолій Васильович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", професор кафедри засобів телекомунікацій Інституту телекомунікаційних систем.

член-кор. НАН України, доктор технічних наук, професор ЄВДОКИМОВ Віктор Федорович, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім.Г.Є. Пухова НАН України, директор

доктор технічних наук, професор СЕМЕНКО Анатолій Іларіонович, Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, професор кафедри телекомунікаційних систем факультету телекомунікацій.

Захист відбудеться 1 листопада 2007 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.14 у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, навчальний корпус №1, аудиторія 163.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий " 21 " вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради

Д 26.002.14, к.т.н, доц. Уривський Л.О.

АНОТАЦІЇ

Лунтовський А.О. Методологія та інструментарій проектування корпоративних мереж. Рукопис. Дисертация на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - „Телекомунікаційні системи і мережі”. Національний Технічний Університет України “Київський політехнічний Інститут”, Київ, 2007.

Дисертацію присвячено розробці комплексної методології та ефективного інструментарія проектування високошвидкісних дротових та бездротових локальних мереж (КМ), що враховують складність і розподіленість сучасних процесів проектування, таких, що забезпечують високий рівень узгодженості і якості проектних рішень.

Значний вплив на розвиток інструментарія у ринкових умовах спричиняє інтердисциплинарність застосованої методології, врахування територіальної розподіленості колективів розробників, складність підтримання ефективної мережевої роботи останніх, необхідність скорочення термінів розробки у зв'язку із високою швидкістю морального старіння технічних систем у галузі інформаційних технологій. У роботі сформульовано головні задачі, що їх вирішують при проектуванні корпоративних мереж. Зображено можливості інструментарія проектування мереж із складною топологією. Проведений системний аналіз КМ як об'єкту проектування. Розроблено методологію проектування корпоративних мереж, а) що враховує вимоги до структури, навантаження, вартості і характеристик швидкодії КМ, б) що підтримує об'єктно-орієнтоване представлення документів проектування і математичні методи проектування КС, які придатні для аналізу та прогнозування швидкодії, в) що відрізняєтся від існуючих комплексним та системним розглядом різноманітних аспектів властивостей об'єкту проектування.. Розроблено ієрархічну, поширювану документну модель, яка придатна для опису апаратної і програмної частин корпоративних мереж. Розроблено проблемно-орієнтовану мову проектування корпоративних мереж, яка придатна для опису апаратної і програмної частин корпоративних мереж. Досліджено методи кількісного аналізу КМ, запропоновано моделі вартості, навантаження і швидкодії. Досліджено методи аналізу та прогнозування швидкодії. Методологічні дослідження застосовано у практично реалізованому програмному забезпеченні. Поряд із теоретичним матеріалом робота містить опис прагматичних підходів до проектування корпоративних мереж і їх програмних додатків та аналіз сучасних технологій стаціонарних, бездротових і мобільних мереж нових поколінь (2,5-4G).

Ключові слова: інформаційно-телекоммунікаційна мережа, комплексна методологія проектування, бездротові мережі, об`єктно-орієнтована документна модель мережі NDM - Network Design Model, розподілені програмні модулі, проблемно-орієнтована мова NDML - Network Design Markup Language, інструментарій проектування мереж CANDY - Computer-Aided Network Design utilitY Framework.

Лунтовский А.О. Методология и инструментарий проектирования корпоративных сетей. Рукопись. Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.12.02 - „Телекоммуникационные системы и сети”. Национальный Технический Университет Украины “Киевский политехнический Институт”, Киев, 2007.

Диссертация посвящена разработке комплексной методологии и эффективного инструментария проектирования высокопроизводительных корпоративных сетей, учитывающих сложность и распределенность современных процессов проектирования, обеспечивающих высокий уровень согласованности и качества проектных решений. Значительное влияние на развитие инструментария проектирования в рыночных условиях оказывает интердисциплинарность применямой методологии, учет территориальной распределенности коллективов разработчиков, сложность поддержания эффективной сетевой работы последних, необходимость сокращения сроков разработки в связи с высокой скоростью морального старения технических систем в области информационных технологий.

В работе сформулированы основные задачи, решаемые при проектировании корпоративных сетей. Описываются возможности инструментария проектирования сетей со сложной топологией. Проведен системный анализ КС как объекта проектирования. Разработана методология проектирования корпоративных сетей, а) учитывающая требования к структуре, нагрузке, стоимости и характеристикам производительности КС, б) поддерживающая объектно-ориентированное представление документов проектирования и математические методы проектирования КС, пригодные для анализа и предсказания производительности, в) отличающая от существующих комплексным и системным рассмотрением различных аспектов свойств объекта проектирования. Разработана иерархическая, расширяемая документная модель, пригодная для описания аппаратной и программной частей корпоративных сетей. Разработан проблемно-ориентированный язык проектирования корпоративных сетей, пригодный для описания аппаратной и программной частей корпоративных сетей. Исследованы методы количественного анализа КС, предложены модели стоимости, нагрузки и производительности. Исследованы методы анализа и предсказания производительности. Методологические исследования внедрены в практически реализованном программном обеспечении. Наряду с теоретическим материалом работа содержит описание прагматических подходов к проектированию корпоративных сетей и их приложений и анализ современных технологий стационарных, беспроводных и мобильных сетей новых поколений (2,5-4G).

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна и практическая ценность, приводятся данные об апробации и публикацию результатов. В главе 1 обоснована методология проектирования сетей на основе системного анализа и теоретико-множественной формализации. В главе 2 разработана документная модель для проектирования сетей и описано манипулирование XML-базированными документами. в главе 3 разработана комплексная методика проектирования новых беспроводных сетей WLAN 802.11/WiMAX 802.16 и описана ее программная реализация. Комплексная методика для сетей WLAN/WiMAX иллюстрирует применение комплексной методологии, предложенной в главе 1. В главе 4 исследованы аналитические модели производительности корпоративных сетей на основе теории сетей массового обслуживания, рекомендованные для применения в инструментарии проектирования. в основных приложениях тома 2: 1) Исследованы методы многовариантного анализа и оптимизации проектных решений, рекомендованные для применения в инструментарии в целях повышения качества последних; 2) Описаны лингвистические аспекты при проектировании сетей и разработан проблемно-ориентированный язык описания модели корпоративной сети; 3) Описана разработанная интегрированная среда поддержки проектирования корпоративных сетей и программная реализация комплексной методологии. в остальных приложениях к работе cодержатся примеры проектирования сетей; экранные формы работы приложений среды проектирования CANDY; определения типов документов проектирования NDML DTD; рекомендации по установке прототипа системы CANDY Prototypе; графические примитивы (согласно принятого фирмой Cisco стандарта); принятые акронимы для обозначения международных организаций по телекоммуникациям и информационным технологиям; глоссарий и списки использованных сокращений; список избранных ГОСТов по телекоммуникациям и информационным технологиям; справочные таблицы для стоимостного анализа решений; подтвержение апробации и внедрения данной диссертационной работы.

Ключевые слова: информационно-телекоммуникационная сеть, комплексная методология проектирования, беспроводные сети, объектно-ориентированная документная модель сети NDM - Network Design Model, распределенные приложения, проблемно-ориентированный язык NDML - Network Design Markup Language, инструментарий проектирования сетей CANDY - Computer-Aided Network Design utilitY Framework.

Andriy Luntovskyy. Methodology and tools for corporate networks design. Manuscript. Thesis for a Doctor (Habilitation) of Technical Sciences' Degree on the Specialty 05.12.02 -„Telecommunication Systems and Networks“. National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnical Institute", Kyiv, 2007.

The thesis is dedicated to development of complex methodology and efficient tools for design of high-performance corporate networks with considering of complexity and distribution of modern design processes, which offer high level of project decision co-ordination and quality. Interdisciplinary nature of used methodology, considering of territorial distribution of developers teams, complexity of efficient teleworking support, reduction necessity for project workflows duration in context of high moral obsolescence rapidity at IT-landscape and under free-market economy conditions impact significant influence on tools development for above mentioned design environments. In this thesis the main tasks are identified, can be solved by corporate network design. The use affairs of the tools by complex topology network design have been shown. System analysis of corporate networks as design object is carried out. A methodology of corporate network design is elaborated in regarding to the network structure, load, costs and capacity characteristics requirements. Thіs methodology a) supports object-oriented project documents representation and mathematical design methods appropriate for performance analysis and prognosis, b) distinguishes from the existing methodology theories via complex and system examination of different aspects of design object. Hierarchical extensible document model is elaborated, which is appropriate to description of software and hardware of these networks. Problem-oriented language for corporate networks design is elaborated, which is appropriate for description of software and hardware of these networks. The methods for quantitative analysis of corporate networks are examined, the cost, load and capacity models are proposed. The performance analysis and prognosis methods are investigated. The theoretical researches are implemented in practical software. Side by side with this theoretical materials the thesis contains some case studies of pragmatic approaches to design of corporate networks and their applications as well as analysis of up-to-date technologies for stationary, wireless and mobile networks of New Generations (2,5-4G).

Key words: informational-telecommunication network, complex design methodology, wireless networks, document NDM - Network Design Model, distributed applications, problem-oriented NDML- Network Design Markup Language, CANDY tools - Computer-Aided Network Design utilitY Framework.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Труднощі при проектуванні сучасних корпоративних телекомунікаційних мереж полягають у тому, що зазначені мережі є в першу чергу гетерогенними, тобто складаються з локальних та глобальних ділянок, які можуть бути реалізовані як дротові або бездротові. Відсутність єдиної комплексної концепції ефективного середовища проектування зазначених мереж призводить до того, що проекти виконуються емпірично, з високою часткою рутинних робіт й приховують ймовірність помилок, неефективних або ж морально застарілих рішень. У більшості випадків рідко здійснюються попередні кількістні оцінки обсягу інформаціі, яка передається по телекомунікаційним каналам при заданій пропускній здатності. Це призводить до неефективного використання активних мережевих компонентів, ускладнює менеджмент та адміністрування. Ось перелік проблем, які причетні до “класичного” (традиційного, ручного аналізу, проектування та реінжинірингу корпоративних мереж (КМ)):

· методи проектування ґрунтуються на емпіриці

– відсутність інтердисциплінарної методологіі аналізу, проектування та реінжинірингу

– слабка взаємодія різних груп технічних спеціалістів

– відсутність прозорого маршруту аналізу, проектування та реінжинірингу

– обмеженість моделей навантаження та моделювання характеристик виробничості

· обмежена підтримка із боку засобів автоматизації

– ручний, рутиний характер, деякі етапи проектування не покриваються необхідними засобами автоматизації

– складності при передачі результатів між певними етапами та стандартними засобами автоматизаціїї (прикладними програмами аналізу, проектування та реінжинірингу)

– наявність засобів проктування тільки для провідних телекомунікаційних мереж і фрагментарність засобів для бездротових ділянок (WLAN, WiMAX)

· слабке документування проекту, відсутність зазначеного або ж ручна підготовка документації щодо різних етапів проекту.

Разом з тим, складність та розподіленість процесів аналізу, проектування і реінжинірингу КМ, інтердисциплінарність методології, що використовується, необхідність урахування територіальної розподіленості колективів розробників за умов забезпечення їх ефективної роботи, скорочення термінів розробки, високої швидкості морального старіння технічних систем потребує високого рівня узгодженості та якості проектних рішень. Відсутність прийнятних інструментів ускладнює процеси проектування, знижує якість рішень, ускладнює супровід проектів й, тим самим, підвищує їхню вартість. Акцент повинний бути перенесеним із моделюваня протоколів BOC/OSI на:

· оптимізацію розміщення підсистем СКС і точок доступу (базових станцій) для бездротових дільниць КМ

· методи і засоби розрахунку і оптимізації вартості КМ

· імітаційне моделювання характеристик виробничості

· створення універсальних механізмів опису проектних даних та інструментів проектування.

Таким чином, створення і наукове обґрунтування комплексної методології проектування корпоративних гетерогенних (дротових та бездротових) телекомунікаційних мереж, розробка ефективного інструментарію їх проектування є актуальною науково-технічною проблемою. проектування високошвидкісний локальний мережа

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано пошукувачем згідно із планами науково-дослідних робіт НТУУ “КПІ” у рамках д/б теми №2567 (УДК 681.3.07, № держреєстрації 0102U003833, КВНТД I.2 12.12.14). Робота виконувалась також згідно із планами наукових досліджень кафедри інформаційно-телекомунікаційних мереж Інституту телекомунікаційних систем в рамках держбюджетних тем: 2435 (номер державної реєстрації 0100U000954), 2606 (номер державної реєстрації 0103U000285), 2567-П (номер державної реєстрації 0102U003833), 2606-П (номер державної реєстрації 0103U000285), 2819 (номер державної реєстрації 0105U001071) та госпдоговірних робіт: «Розробка АІПС Чергова Частина», (дог. № 28\В) (номер державної реєстрації 0103U000526), «Забезпечення функціонування й удосконалення Центрального та регіональних чорнобильських банків даних всіх категорій постраждалих громадян (ЧБД)» (дог. № 25-1/11нсі-02) (номер державної реєстрації 0104U010440), що виконувалася у відповідності до:

1. Постанова Верховної Ради України «Про парламентські слухання щодо чотирнадцятої річниці Чорнобильської катастрофи» від 20.04.2000 р. №1681-ІІІ;

2. Доручення Кабінету Міністрів України №36\707 від 6.05.2000 року;

3. Постанова Кабінету Міністрів України від 4.02.1997 року № 135 «Про перевірку правильності видачі посвідчень «Учасник ліквідації наслідків аварії на Чорнобильській АЕС».

4. Постанови Верховної Ради № 2404-ІІІ від 26.04.2001р. «П'ятнадцята річниця Чорнобильської катастрофи. Досвід подолання.»

5. Доручення КМ від 16.05. 2001 року № 6406\3.

Мета і задачі дослідження. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення важливої науково-технічної проблеми, пов'язаної з розробкою наукових основ побудови корпоративних телекомунікаційних мереж, які базуються на систематизації методів аналізу, синтезу, оптимізації та проектування телекомунікаційних мереж з метою підвищення їх технічної й економічної ефективності.

Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності процесів проектування інформаційно-телекомунікаційних мереж за рахунок використання комплексної методології та розвинутого інструментарію проектування дротових та бездротових локальних мереж, включаючи їх транспортну інфраструктуру, прикладні програми з підтримки корпоративних інформаційно- обчислювальних процесів і інтелектуальних сервісів, а також шляхом створення відкритого середовища проектування, яке побудоване на базі удосконалених об'єктних моделей і проблемно-орієнтованих інструментальних засобів.

Для досягнення мети дослідження було поставлено та вирішено такі основні задачі:

1. Системний аналіз інформаційно-телекомунікаційних мереж як об'єкта дослідження, а також методів їх проектування із використанням сучасних стандартів структурованих кабельних систем, бездротових та мобільних мереж нових поколінь (3G і 4G)

2. Розробка комплексної методології із використанням ефективних моделей, методів, засобів і методик проектування інформаційно-телекомунікаційних мереж, які дозволять оптимізувати загальну вартість проектних рішень за допомогою розв'язку квазилінійної оптимально-компромісної задачі мінімізації із урахуванням критеріїв виробничості, кількості активних мережових пристроїв, довжини кабельних з'єднань при наявності обмежень з боку СКС, застосованих мережевих технологій, за навантаженням, профілем користувачів і геометрією будівель та кампусу.

3. Розробка ефективного інструментарію проектування корпоративних телекомунікаційних мереж, який прийнятний для розрахунку структурованих кабельних систем з використанням стандартів і протоколів інфраструктурних, а також бездротових та мобільних мереж, який надає можливість аналізу виробничості і вартості із урахуванням використаних корпоративних сервісів і аспекту безпеки даних; інструментарій призначений для групової роботи у гетерогенному мережовому середовищі та сумісний із сучасним розподіленим програмним забезпеченням проектування телекомунікаційних мереж.

4. Розробка нової ієрархічної, розширюваної об'єктно-орієнтованої документної моделі, придатної для опису апаратної і програмної частин корпоративних мереж, а також проблемно-орієнтованого інструментарію, побудованого на її основі.

5. Підтримка розроблених засобів шляхом створення відкритого середовища проектування, побудованого на основі комплексного підходу та теоретико-множинної моделі, покладеної в його основу.

6. Програмна реалізація інструментарію у Java/XML-базованому середовищі програмування і впровадження вказаного інструментарію для вирішення практичних задач проектування мереж підприємств і університетів

7. Публікація розробленого програмного забезпечення в якості відкритого проекту в Інтернет як платформи, яка може нарощуватись та інкапсулюватись до інших САПР.

Об'єктом дослідження в дисертаційній роботі є гетерогенні дротові і бездротові локальні корпоративні телекомунікаційні мережі та сервіси, прикладні програми, які працюють у таких мережах, із урахуванням сучасних вимог до якості обслуговування (QoS, Quality of Service), мобільності та безпеки даних.

Предметом дослідження є моделі, методи, методики та інструменти проектування і аналізу телекомунікаційних мереж в умовах часткової відсутності або ж фрагментарності наявних засобів та при необхідності врахування чисельних, подекуди суперечливих, факторів якості.

Методи дослідження. Основні методи дослідження загальної проблеми - методи системного аналізу, математичного моделювання, фізико-теоретичних основ передачі даних і радіозв'язку, теорії комп'ютерних систем і інформаційно-телекомунікаційних мереж, об'єктно-орієнтованого проектування і програмування, формальних граматик і моделей документів, теорії систем і мереж масового обслуговування, методів математичної статистики, теорії оптимізації, теорії алгоритмів тощо. Методи системного аналізу використовуються для раціональної декомпозиції предметної області на окремі сутності, виділення їх функціонального навантаження, структурних взаємозв'язків та поведінки, а також агрегування розглянутих окремо сутностей у єдину систему, описання структурних зв'язків між ними у рамках цієї системи, поєднання математичних моделей.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

1. Вперше запропоновано комплексну методологію проектування гетерогенних корпоративних мереж, які складаються з ділянок локальних мереж, бездротових мереж та глобальних мереж (системи електрозв'язку, Інтернет), основу якої складає системний підхід, що об'єднує моделі складових частин мережі із використанням сучасних стандартів структурованих кабельних систем, бездротових та мобільних мереж нових поколінь, об'єктно-орієнтовані моделі з обробки документів проектування, методи та засоби моделювання інфраструктури, розрахунку параметрів ефективності мереж, дозволяє вирішувати квазілінійну оптимально-компромісну задачу мінімізації загальної вартості рішення для мережі із урахуванням критеріїв виробничості, кількості активних мережевих пристроїв, довжини кабельних з'єднань при наявності обмежень з боку СКС, застосованих мережевих технологій, за навантаженням, профілем користувачів і геометрією будівель та кампусу.

2. Удосконалено методи проектування бездротових мереж WLAN802.11 та WiMAX802.16, які розглядаються як частина комплексної методології проектування корпоративних інформаційно-телекомунікаційних мереж і відрізняються від існуючих (насамперед, Ekahau Site Survey, WinProp тощо) застосуванням методу мінімаксної оптимізації у поєднанні із емпіричними геометричними моделями розповсюдження радіохвиль та урахуванням навантаження для вирішення задачі розміщення точок радіодоступу, що дозволяє зменшити загальну вартість мережі.

3. Набув подальшого розвитку підхід до побудови ефективного середовища розробки проектів інформаційно-телекомунікаційних мереж, сутність якого полягає у створенні відкритого інструментарію проектування, що поєднує методи вводу топології та навантаження, методи трасування структурованої кабельної системи і розміщення точок радіодоступу, методи розрахунку параметрів виробничості та вартості тощо, а також відрізняється використанням технологій вільно визначених інтерфейсів і є придатним для колективної роботи різних груп фахівців у середовищі Інтернет.

Практичне значення одержаних результатів. Усі теоретичні розробки дисертації автором доведені до конкретних інженерних методик, алгоритмів та програм. Розроблені програмні засоби, моделі та інструментарій можливо використовувати при проектуванні сучасних корпоративних мереж.

Практично значущими результатами дисертаційної роботи є:

1. Оригінальний інструментарій проектування телекомунікаційних мереж, який надає можливість чередування задач синтезу-аналізу компонентів систем і у відповідності із прийнятими «де-факто» маршрутами (паралельно-послідовно, умовно, ітеративно), а також дозволяє оптимізувати характеристики вартості і якості обслуговування QoS та забезпечує сумісність форматів представлення із системами MS Office, Open Office, OPNET, COMNET-III, HPOV, Ekahau Site Survey, NetStumbler та ін.

2. Розроблене програмне забезпечення опубліковане як відкритий проект в Інтернет (open source project) в складі платформи для подальшої розробки інструментів проектування КМ (зокрема для WLAN/WiMAX). Опис моделі КМ на мові NDML використовується в розроблених інструментах і середовищі проектування корпоративних мереж CANDY - Computer-Aided Network Design utilitY Framework та є придатним для використання у комерційних і відкритих засобах проектування і моделювання (MS Visio, Berkley Network Simulator NS-2, OpenForge Dia, PythonCAD, Workflow Petri Net Designer), до обробки за допомогою стандартних СУБД, WWW-броузерів, а також компонентних Middleware-прикладних програм та Web Services (Java, .NET).

3. Здійснено апробацію та впровадження програмних модулів з обробки інформації у складі середовища з проектування комбінованих дротових та бездротових корпоративних мереж за стандартами IEEE 802.3, 802.11 та 802.16 при проектуванні корпоративної мережі навчального корпусу факультету інформатики ТУ м. Дрездена, ФРН.

4. Результати досліджень носять інтердисциплінарний та інтернаціональний характер та впроваджені у навчальний процес Інституту телекомунікаційних мереж ІТС НТУУ «КПІ» і факультету інформатики ТУ Дрездена.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, що захища ються, отримані особисто здобувачем. Автором особисто опубліковані та запропоновані:

· комплексна методологія проектування гетерогенних КМ, побудованих із використанням сучасних стандартів структурованих кабельних мереж, протоколів бездротових і мобільних мереж; виконується аналіз виробничості і вартості з урахуванням використаних корпоративних сервісів і безпеки даних, див. «Список опублікованих праць за темою дисертації» [9, 24, 27, 31, 35, 36, 42, 43, 46-51]

· комплексна методика проектування нових бездротових мереж WLAN IEEE 802.11 і WiMAX IEEE 802.16 із застосуванням підходу мінімаксної оптимізації і емпіричних геометричних моделей розповсюдження із урахуванням навантаження точок доступу [4, 8, 10, 14, 19, 20, 23, 25, 26, 28, 32, 33, 37, 39, 40]

· об'єктно-орієнтована документна модель, яка описує проект гетерогенної корпоративної мережі NDM - Network Design Model [1-3, 7, 15-18, 21, 22, 44, 45] та формати обміну в САПР телекомунікаційних мереж

· XML-базована проблемно-орієнтована мова NDML - Network Design Markup Language [5, 30, 38] для опису проекту гетерогенної корпоративної мережі і форматів обміну в САПР телекомунікаційних мереж

· інструментарій та XML-базоване середовище з підтримки проектування корпоративних мереж CANDY - Computer-Aided Network Design utilitY Framework [13, 29, 34, 41], які придатні до інкапсуцяції в інші САПР телекомунікаційних мереж

· спосіб організації математичних моделей і зберігання даних проектування [6, 11, 12].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були представлені, повідомлені й одержали схвалення на чисельних міжнародних конференціях (Україна, Росія, США, Франція, Італія, Норвегія, Австрія, Бельгія тощо), в тому числі на конференціях КриМіКо «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (м. Севастополь 2005, 2006), на міжнародному ярмарку CeBIT 2007, 15-21 березня, м. Ганновер, ФРН, а також на наступних впливових міжнародних конференціях: EDUNET'97 - A Conference under the support of EU TEMPUS-TACIS T-JEP-08570-94 „Computer Networks in Higher Education“ 26-28 May 1997 National Technical University of Ukraine “KPI”, Kiev; The 9th International Conference “Information Systems Development”, ISD'99, Section: Human, social and organisational dimension of IS development, Boise, Colorado, USA; Международная конференция в НТУУ КПИ, ФЭЛ, „Проблемы физической и биомедицинской электроники“, 13-15 июня 2000; Міжнародний Конгрес “Інформаційне суспільство в Україні - стан, проблеми, перспективи” - Конгрес-2000, 25-27 вересня 2000 р., НТУУ КПИ, ФТІ, Киев, Секція № 7 - “Інформаційна безпека”; Международная конференция в НТУУ КПИ, ФЭЛ, „Проблемы физической и биомедицинской электроники”, 12-14 июня 2001; IV Международная конференция по математическому моделированию (МКММ'2001), Херсон, 9-14 сентября 2001; Пятый Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики" 14-15 ноября 2001 г. Москва, Россия; V Международная конференция по математическому моделированию (МКММ'2002), Херсон; Международная конференция в НТУУ КПИ, ФЭЛ, „Проблемы физической и биомедицинской электроники”, июнь 2002; The 8th World Multi-Conference on SYSTEMICS, CYBERNETICS AND INFORMATICS (SCI 2004), July 18-21, 2004, Orlando, Florida, USA; The 9th World Multi-Conference on SYSTEMICS, CYBERNETICS AND INFORMATICS (WMSCI 2005), July 10-13, 2005, Orlando, Florida, USA; Международная конференция в НТУУ КПИ, ФЭЛ, „Проблемы физической и биомедицинской электроники”, апрель 2006; 10th Communications and Networking Simulation Symposium (CNS-07), Norfolk, VA, USA, March 25-29, 2007; IEEE European Wireless 2007 Conference, Paris, 1-4 April 2007; Международная конференция в НТУУ КПИ, ФЭЛ, „Проблемы электроники”, апрель 2007; Conference INOC 2007 by EURO/ENOG, Spa, Belgium, 22-25 April 2007; IEEE 3rd Euro NGI Conference 2007, Trondheim, Norway, May 21-23, 2007; 5th IEEE International Conference on Industrial Informatics INDIN 2007, 23-27 July 2007, Vienna, Austria; International Multi-Conference on Advanced Computer System ACS-AISBIS 2007, Poland, Miedzyzdroje, 17-19 October 2007 тощо.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано у 51 наукових працях, серед яких 28 статей у наукових фахових виданнях згідно з переліком ВАК України (19 з них виконані автором особисто), 20 доповідей у збірниках праць міжнародних конференцій у Россії, США, ФРН, Італії, Франції, Австрії, Норвегії, Бельгії, Польщі та інших країнах. Опубліковані праці в достатній мірі висвітлюють результати дисертаційної роботи.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із 1 і 2 тому (додатки). До тому 1 ввійшли вступ, 4 розділи основного змісту і висновки, робота має загальний обсяг 309с. (13 авт.арк.), містить ілюстрації, таблиці та список літератури із 297 найменувань. Том 2 складається із додатків на 211с.

Основний зміст дисертації

Сучасні технології класичних, нових та іновативних мереж для використання у КМ наведені на рис. 1. ТКМ, телекомуникаційна мережа, згідно Закону України “Про телекомунікації” та інших нормотворчих документів і стандартів є розподіленою гетерогенною інфраструктурою постачання електроних повідомлень (пакетів) на великі відстані з, як правило, децентралізованим керуванням та комбінацією різних технологій локальних, міських та глобальних мереж, а також мереж доступу (можливо, персональних).

Підмережі доступу в ТКМ часто є радіомережами і можуть бути як стаціонарними, так і мобільними, в тому числі зі швидкістю руху до 250 км/год і на відстанях від 10см до десятків км. Так, наприклад, часто використовується комбінація локальних мереж на основі СКМ (структурованої кабельної системи) та точок доступу (Access Points) для бездротових мереж в середині будівель (~100м). В ТКМ використовуються різні типи термінальних пристроїв. Поняття «ТКМ» є включним поняттям для КМ. Для телекомунікаційних мереж найбільш характерними покажчиками виступають: пропускна здатність DR (data rate), QoS, надійність і живучість. Вартісний покажчик, як правило, використують у сукупності із вищезазначеними, наприклад, «вартість при виконанні заданих вимог із пропускної здатності» або ж «вартість при заданій якості обслуговування».

Корпорація є об'єднанням підприємств, що працюють під централізованим керуванням і вирішують спільні задачі. Корпорація є складною багатопрофільною структурою і завдяки цьому має розподілену ієрархічну систему керування. Крім того, підприємства, відділення та адміністративні офіси, що входять до складу корпорації, як правило, розташовані на достатньому віддаленні одне від одного. Для централізованого керування таким об'єднанням підприємств використовується корпоративна мережа (КМ). До її складу можуть входити магістральні мережі (WAN, MAN), що приназначені для зв'язку відділень та адміністративних офісів корпорації. Обов'язковими компонентами корпоративної мережі є локальні мережі, пов'язані одне з одним», та, як їх популярне сучасне розширення, бездротові мережі доступу (локальні, міські, персональні -- WLAN, WіMAX, WPAN). Під корпоративною телекомунікаційною мережею, будемо розуміти таку, приналежну певному підприємству (корпорації), яка складається із центрального офису і декількох філіалів, на правах власності та/або оренди локальної мережі та/або частини більшої ТКМ провайдера телекомунікаційних послуг (оператора). Бізнес-процеси підприємства визначають структуру, технології побудови, навантаження та характеристики виробничості КМ, а також прикладні програми, що виконуються у такій мережі. Керування КМ здійснюється централізовано. При цьому без обмеження загальності розсудів, вищезазначене стосується і до специфічних КМ самих провадерів. У якості термінальних пристроїв в КМ використовуються стаціональні персональні комп'ютери та робочі станці (РС), можливе використання ноутбуків, мобільних телефонів і персональних цифрових асистентів (PDA), а також інших термінальних пристроїв. Таким чином, обидва терміни описують, за по суттю близькі поняття у сенсі: гетерогенності структури, що вивчають (стандарти, протоколи, інтерфейси), комбінації бездротових та інфраструктурних ділянок, можливості використання стандартних технологій Internet та Intranet (стеку протоколів TCP/IP), використаних термінальних пристроїв (РС, PDA, ноутбуків, мобільних телефонів, а також інших термінальних пристроїв) тощо. КМ, однак, визначають суттєво меньшу розмірність задачі, що вирішується: кількість вузлів (терміналів та мережевих компонентів), обсяги трафіку та виробничості, географічну протяжність і трудомісткість проектування і вартості рішення, та і, зрозуміло, багатопрофільність економічних інтересів і різноманітність корпоративних сервісів. Використання сучасних стандартів структурованих кабельних мереж призводить до можливості зниження розмірності задачі проектування. Практичні приклади застосування теоретичних положень, що розглянуто у роботі: комбінована локальна мережа будівлі факультету (Ethernet+WLAN), бездротовий кампус університету (WLAN, WiMAX), інтегрована мережа мед.закладу (комп'ютерна мережа + мережа автоматизації будівлі LON - local operation network з порталами мобільного доступу), оперативна мережа при будівництві нової споруди та кампус техн.університету на основі АТМ тощо.

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовані мета та задачі роботи, її наукова новизна та практична цінність, наводяться дані з апробації та публікації результатів. Взаємозв'язок положень наукової новизни у роботі представлений на рис.2 (інструментарій, мова і модель документів проектування, а також методологія проектування).

У розділі 1 на основі системного аналізу КМ як об'єкту проектування обґрунтовано методологію та запропоновано ефективний інструментарій проектування корпоративних мереж. Методологія - це наукова теорія, що розглядається як система методів, моделей, операцій, засобів і методик для вивчення заданої предметної області (ТКМ і КМ). Методологія проектування КМ показує доцільність і межі використання існуючих методів аналізу, моніторингу (ідентифікації навантаження) і менеджменту та пропонує кількісні моделі, які відображають вимоги до топології, структури, навантаження та характеристик виробничості і вартості КМ, що наведені на рис.3 (концептуальна модель „НВК” - Навантаження, Виробничості, Вартості). Методологія проектування КМ базується, в першу чергу, на теорії графів, теорії СМО, теорії імітаційного моделювання і теорії оптимізації. Для вирішення поставленої задачі:

· проведено системний аналіз КМ як об'єкту проектування. Цьому питанню присвячені роботи Згуровського М.З., Новікова О.М., Вінницького В.П., Корнілова І.В. тощо

· створено методологію проектування КМ як теорію, систему методів і засобів.

Зокрема цьому питанню присвячені роботи Голишева Л.К., а також існують такі методології як SSADM (Велика Британія), Merise (ЕС, Франція), Euromethod (EC), IDEF, OpenDoor (США), Dafne (Греція, Італія), NIAM/ORM (Нідерланди, Австралія).

· розроблені нові інструменти, а також інтерфейси для інтеграції існуючих, таких як Berkeley NS-2, OMNeT++, ІСІМ «КПІ», Ekahau, Airespace/Cisco, AWE Comm. Suite, SitePlanner, WiSE

· розроблено архітектуру, документну модель, середовище і мову проектування, аналогічну до GPSS, ODA, EDIFACT, UML, SMIL.

В роботі досліджено та встановлено придатність різних методів мониторингу та ідентифікації навантаження, а також аналізу виробничості. Під «моделінгом» розуміємо системну розробку адекватних моделей КМ і її окремих елементів та вузлів. Процес моделінгу істотно впливає на загальну трудомісткість процесу проектування. Показано, що вартість моделінгу КМ і її елементів можна значно скоротити, якщо використати так звану «тристадійну методологію» (three-step-methodology), суть якої міститься у наступному: розробка моделі навантаження здійснюється незалежно від обмежень реалізації при одночасній розробці моделі КМ як системи; здійснюється прив'язка моделі системи до моделі навантаження, при цьому модель системи описує реальну динаміку поведінки і показує, як вимоги до рівня сервісу впливають на конкретну реалізацію; аналіз моделі системи виконується на основі моделювання або аналітичних розрахунків із метою прогнозування характеристик виробничості. Таким чином, найбільш необхідна і трудомістка частина, - моделінг навантаження і системний моделінг виконуються всього один раз, варіація здійснюється за допомогою моделюючих програм. Сучасна точка зору на розробку КМ полягає у тому, що усі функціональні задачі проектування (планування, верифікація і реінжиніринг) зводяться до кінцевої множини стандартних задач синтезу і аналізу (ЗС і ЗА) телекомунікаційних мереж (за І.П.Норенковим). Задачі синтезу і аналізу вирішуються у чередуванні (С-А) паралельно-послідовно, умовно і ітеративно у відповідності до прийнятих «де-факто» маршрутів проектування work-flows. Маршрути зображуються мережами Петрі:

if Cond_i then { ЗС_j; ЗА_j } > { ЗС_k; ЗА_k } (умовні переходи, «conditional transitions» з умовою Cond_i) { ЗС_j; ЗА_j } > { ЗС_k; ЗА_k } II { ЗС_r; ЗА_r }(паралельність РР) (1)

Використані при проектуванні (автоматизації маршруту) програмні засоби є інструментарієм дослідження, за допомогою якого отримуюють прийнятні проектні рішення або ж практично підтверджують результати теоретичних досліджень для окремих ТКМ.

Розроблено наукову теорію, що описує на теоретико-множинному рівні об'єднання моделей складових частин систем, що проектуються, методів розрахунку, методик проектування, в тому числі бездротових мереж WLAN рівня будівлі і кампуса і WiMAX рівня кампуса, об'єктно-орієнтованих моделей з обробки документів проектування телекомунікаційних мереж. Методологію м представлено наступною сімкою:

м = м (T, R, WF, M', A, у, PCL), (2)

де T - кінцева множина практичних задач tasks, T={T_i,i=1,12}, R - кінцева множина інструментів (design routines) R={R_j,j=1,10} з визначеним маршрутом (workflow) WF(R), M' - невпорядкована множина значущих моделей для представлення, аналіза, розрахунку і обрабки (models), A - кінцева множина розроблених алгоритмів (algorithms), у - алгебра, що визначає которая операції над множинами {T, R, M, A}, PCL - обрана мова програмної реалізації (programming code language). Визначено, що у - алгебра є манипуляційною компонентою {у_s, _s=1,5}, PСL- лингвистичною компонентою, або мовою з використанням технологій вільно визначених інтерфейсів, WF презентує впорядковані підмножини практичних інструментов створення дротових та бездротових локальних мереж 802.3, 802.11 і 802.16. У роботі створено комплексну методику проектування бездротових мереж WLAN802.11/WiMAX802.16. Вказана методика розглядається як частина комплексної методології проектування мереж і відрізняється від існуючих (насамперед, Ekahau Site Survey, WinProp тощо) застосуванням підходу мінімаксної оптимізації, емпіричних геометричних моделей розповсюдження із урахуванням навантаження. На засадах розробленої теоретично та практично реалізованої методології дістав подальшого розвитку ефективний і відкритий інструментарій проектування комбінованих дротових та бездротових локальних мереж з використанням технологій вільно визначених інтерфейсів, придатний до колективної роботи та розробки у середовищі Інтернет. В роботі запропоновано до розгляду маршрут проектування КМ (див.рис.3). Для даного маршруту в роботі специфіціровані і реалізовані процедури і засоби (інструменти) проектування CANDY. В роботі досліджено застосування стандартних та нових мов моделювання і для програмної реалізації для маршрутів work flows та даних проектування ТКС: UML(Unified Modeling Language), BPEL(Business Process Execution Language). Запропонована і описана мова NDML, яка з'єднує переваги наступних мов: мови моделювання GPSS (General Purpose Simulation System Language, 1961), Simula (1960), SimScript (CACI, 1983), ІСІМ, ISS 2000, A95 (українська “школа КПІ” в області імітаційного моделювання за Томашевським В.М.), Alsim і Nedis (Україна), мови опису Open Source Script Language APL, Perl i Tcl/Tk (1988, симулятор NS-2) та інших об'єктних мов. Нова мова високого рівня NDML належить до групи мов *ML (до універсальних мов розмітки описів. Узагальнену модель мережі наведено на рис.3. Вона дає коротку характеристику використовуваних видів моделей ТКМ. На узагальненій моделі позначені як елементи запропоновані у дисертаційній роботі підходи, відповідні моделі і задачі проектування ТКМ. Таким чином, розглядаються різні типи моделей КМ: M = {M_i}_i=1,n, n=8 - кількість шарів. «НВК» відбиває перший шар і є концептуальною моделлю «навантаження-виробничості-коштів» (рис.3). Ієрархічність M відображає логічну наслідуваність підпоряджених моделей різних типів у рамках узагальненої моделі КМ і обраних маршрутів проектування, визначених ЗА і ЗС. До використовуваних методів аналізу виробничості КМ відносяться (за В.П.Вінницьким, В.М.Томашевським та Л.К.Голишевим):

· Аналітичні методи на основі використання СМО застосовуються для попереднього моделювання. Використання обмежене складністю створення комплексної адекватної моделі, яка враховує найважливіші властивості КМ та апріорним використанням вже усереднених значень показників навантаження. Відмінною особливістю даних методів є їх швидкодія. Методи дають уявлення про статику поведінки КМ та носять асимптотичний характер; використовуються вони для задач невеликої розмірності.

· Чисельні методи аналізу, що використовують абстрактну модель (автомат), яка описує поведінку КМ набором системних станів і переходів між ними. Зазначені моделі не знаходять широкого вжитку завдяки їх громіздкості. До того ж вони далекі від реальних, оскільки ігнорують багато з аспектів КМ, що причетні до адекватного опису процесів прибуття заявок (пакетів, фреймів) та їх обслуговування.

· Методи „найгіршого випадку“ здійснюють детерміністський аналіз потоків даних в КМ та її пристроях з урахуванням наявності максимально можливого потоку для кожного користувача. Оскільки потоки даних розподілені не «найгіршим» чином, а за іншим випадковим законом, отримані результати часто є дещо песимістичними. Найгірші комбінації факторів, які аналізуються, є також й менш ймовірними.

· Подійні методи є досить трудмісткими й призначені для більш тонкого моделювання окремих властивостей КМ: додатків, протоколів передачі та протокольних одиниць даних (PDU - Protocol Data Unit), інтерфейсів, мережевих стандартів і СПД.

Подійні методи враховують латентність поведінки вузлів КМ і призводять, таким чином, до створення більш простої моделі. Вони дозволяють судити з приводу динаміки поведінки мережі і можуть бути використані для задач більшої розмірності. Перевагою подійних методів є їх відносна простота та вміння більш точно аналізувати внутрішньомережеві процеси у порівнянні із іншими методами. Але для більших мереж переконливі результати потребують більших обчислювальних витрат у силу стохастичного характеру самого моделювання. Отримання необхідних результатів займає, як правило, багато годин роботи програми, що моделює. Розроблено рекомендації з використання методів аналізу виробничості у рамках комплексної методології проектування .

На базі графової моделі будуються і досліджуються вартісні підмоделі. Рекомендоване використання наступних моделей при розрахунку вартості КМ: cтатична вартісна модель (Static Cost Model); вартісна модель з урахуванням різної швидкості амортизації компонентів (Decrement CM), вартісна модель з урахуванням змінного характеру експлуатаційних витрат (Maintenance CM), вартісна модель з урахуванням розподіленої у часу модернізації (Renewal CM), вартісна модель з одночасним урахуванням старіння і модернізації (Actual cash value factor CM). На підвалинах досліджених підмоделей здійснюється побудова єдиної моделі вартості рішення для КМ із вказаними обмеженнями для подальшої оптимізації цільової функції загальної вартості (ЦФ). Оптимизаційні задачі (у широкому сенсі) складають основу проектування ТКМ. Узагальнена задача проектувания КМ може бути сформульована як квазілинійна оптимально-компромісна задача минімізації ЦФ загальної вартості КМ K = K(DR, Д, N, Nap, L,..), де DR- швидкість передачі даних, Д - затримка передачі даних, N -кількість мережевих пристроїв, Nap - кількість точок доступу, L - довжина кабельних з'єднань тощо, при наявності обмежень з боку СКС і використаних мережевих технологій {LAN, WLAN,…}, за навантаженням і профілем користувачів { л }, з геометрії будівель і кампуса.

Сучасним інструментарієм проектування КМ є прикладні програми із підтримкою територіально-розподіленої мережевої роботи колектива розробників, які реалізовані за допомогою актуальних сьогодні об'єктно-, компонентно- (Middleware) і сервіс-орієнтованих технологій на базі WWW (так звані Web Services). Нижче описані основні вимоги до інструментарію КМ, який реалізує вищевказану інтердисциплінарну комплексну методологію проектування:

1. інформаційне (NDM - Network Design Model) та лінгвістичне (NDML - Network Design Markup Language) представлення КМ, яка проектується, будуються на основі поширюваної мови на базі XML

2. реалізуються XML-базовані моделі заміщення Agents для елементів КМ для формування еквівалентної повної математичної моделі об'єкту проектування для опису функцій вузлів графа DFG (Dichromic Functional Graph), які придатні для здійснення всіх видів аналізу

3. в рамках інтегрованого середовища проектування (Integrated Design Environment) реалізуються найважливіші етапи процесу проектування КМ, як те: вхідний аналіз проектних документів і введення даних проектування (Input), структурний аналіз (Structure Analysis), вартісний аналіз (Cost Analysis), аналіз характеристик виробничості (Performance Analysis) шляхом приближеного моделювання на основі мереж масового обслуговування (Queuing, СМО) і більш трудомісткого моделювання на основі подійних алгоритмів (Event-driven Simulation), багатоваріантний аналіз та оптимізація характеристик виробничості (Multivariate Analysis, Optimization), документування результатів проектування (Documentation), зберігання типових рішень (Backup, Retrieving).

У роботі проведений аналіз сучасних засобів проектування КМ, закликаних об'єднати логічно- і інформаційно-розрізнені блоки та системи для спеціалістів-розробників територіально-розподілених КМ підприємств, що дозволило зробити висновок про функціональні можливості вказаних інструментальних засобів для реалізації наскрізного автоматизованого процесу проектування, що забезпечує збереження і преємність технічної документації.

У розділі 2 розроблено документну модель для проектування корпоративних мереж і описано маніпулювання XML-базованими документами. Викладено необхідний теоретичний базис: відомі поняття з реляційної алгебри та семантичних моделей даних (Кодд, 1970; Чен, 1976). Обговорюються основні властивості відношень, розглядаються два базових механізми маніпулювання даними: реляційна алгебра і реляційне обчислення, а також описано підхід, оснований на використанні семантичних моделей даних (семантичні ER- і UML-моделі). Документні моделі є логічними об'єктами, побудованими за певними правилами представлення якостей системи (корпоративної мережі), що моделюються, із метою вивчення функціонування останньої. Термін «документна модель», використаний в роботі, означає одне й те ж саме, що й «реляційна модель» у застосуванні до «елементарних операндів», або ж ОО-документів для представления даних про ТКМ і КМ. Документні технології, або ж технології обробки документів - DRT, Document Related Technologies, служать для збереження і маніпулювання електроними документами. Для підтримки документних технологій у гетерогенних інформаційних системах використовуються наступні стандарти: ODA/ODIF:відкрита архітектура для обробки універсальних документів (ISO8613 - Open Document Architecture/Interchange Format), HTML: норма для гипертексту та WWW, XML: универсальні проблемні мови, EDIFACT: норма для комерційних документів, UML: специфікація взаємодії програм і данних та SDL: специфікація мережевих протоколів, а також ряд інших, які підтримують відомі методології проектування інформаційних систем, а саме, SSADM (Велика Британія), Merise (ЕС, Франція), Euromethod (EC), IDEF, OpenDoor (США), Dafne (Греція, Італія), NIAM/ORM (Нідерланди, Австралія). XML-стандарти у застосуванні до розподіленої обробки XML-базованих документів визнані на сьогодняшній день найпотужнішим і найбільш універсальним інструментом з реалізації програм. Запропонована документна модель маніпулювання документами є науково-новим і універсальним базисом для створення XML-базованої мови опису предметної області і специфікації функцій засобів (інструментів) проектування в обраній предметній області, в даному випадку, для ТКМ і КМ. В роботі розроблено математичні основи вищезазначеної документної моделі NDM (Network Design Model), що відрізняється від існуючих, у їх аплікації до проектування КМ: