Научные основы методики поэтапного формирования телекоммуникационной системы регионального уровня в условиях ресурсных ограничений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Хабаровский краевой центр новых информационных технологий Тихоокеанского государственного университета

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные основы методики поэтапного формирования телекоммуникационной системы регионального уровня в условиях ресурсных ограничений

Специальность 05.13.13 - Телекоммуникационные системы и компьютерные сети

Бурков Сергей Михайлович

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» и в «Хабаровском краевом центре новых информационных технологий» Тихоокеанского государственного университета

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Олейник Андрей Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Саксонов Евгений Александрович доктор технических наук, профессор Фролов Евгений Борисовичдоктор технических наук, профессор Пылькин Александр Николаевич

Ведущая организация: ФГУ «Государственный научно-исследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций» (ФГУ ГНИИ ИТТ «Информика»)

Защита диссертации состоится "15" декабря_ 2008г. на заседании диссертационного совета Д 212.133.03 Московского государственного института электроники и математики (технического университета) по адресу: Москва, Большой Трехсвятительский переулок, дом 3, в зале Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ.

Автореферат разослан 2009г.

Ученый секретарь Совета к.т.н., доцент Леохин Ю.Л.

Введение

Информатизация Российской федерации, одним из основных назначений которой является предоставление населению доступа к различным информационным ресурсам, является обязательным условием создания демократического и социально-ориентированного государства. Необходимо отметить и постоянный рост запросов населения, организаций и предприятий к качеству и набору информационных и телекоммуникационных услуг, (в частности, доступу в Интернет), наблюдаемый во всех регионах Российской Федерации. Поэтому решению задач информатизации уделяется большое внимание на всех уровнях управления государством и обществом.

Однако, нельзя не заметить значительную неравномерность в информационно-телекоммуникационном развитии различных регионов России, так, Москва, Санкт-Петербург и еще несколько регионов значительно опережают в этом отдаленные регионы Сибири и Дальнего Востока. В связи с этим возникает и нарастает диспропорция в потребностях общества в информационных услугах и возможностях государства и его доверенных структур в их удовлетворении. Одной из наиболее значимых причин такого положения являются низкие темпы информатизации на региональном уровне. Все это снижает общие темпы информатизации по России и потому выводит на первое место по значимости решение задач региональной информатизации.

Важным направлением информатизации является создание современной информационной и телекоммуникационной инфраструктуры, обеспечивающей решение наиболее важных задач интеграции и развития информационных ресурсов, доступа населения к информации и получения населением заданного набора услуг. В этом направлении имеются определенные достижения, особенно на уровне отдельных ведомств и организаций, например, Министерство внутренних дел России, Министерство образования и науки России, Газпром, Ростелеком, Транстелеком и т.д. Однако очевидны и проблемы, наиболее значимые из которых связаны также с решением задач на региональном уровне.

Особое внимание при развитии региональной информатизации нужно обратить на региональную телекоммуникационную инфраструктуру. Так, если информационная инфраструктура, содержащая базы данных, информационные системы госучреждений, организаций различных форм собственности и физических лиц, во многих регионах в основном сформирована и достаточно динамично развивается, то необходимая для ее широкого использования среди населения телекоммуникационная инфраструктура нуждается в значительном обновлении и совершенствовании.

Среди наиболее значимых проблем, определяющих слабое развитие региональной телекоммуникационной инфраструктуры, можно выделить: ограниченное финансирование, устаревшие аппаратно-программные средства, отсутствие проверенных типовых решений, неоптимальные организационные решения, несогласованность в работе провайдеров. Перечисленное часто дополняется географическими особенностями регионов, ограничивающими использование наиболее распространенных и доступных средств связи, недостаточной подготовкой кадров для создания и обслуживания телекоммуникационных систем, слабой подготовкой населения к восприятию современных информационных технологий.

Таким образом, очевидно, что на сегодняшний день центр тяжести всего комплекса задач информатизации сместился на региональный уровень в направлении создания и развития телекоммуникационной инфраструктуры.

Важно отметить, что решение задач формирования и развития телекоммуникационной инфраструктуры требует очень больших финансовых затрат. Однако, ограниченность финансирования в реальных условиях приводит в большинстве регионов к объективной необходимости решать эти задачи поэтапно, поэтому этот подход к формированию телекоммуникационной инфраструктуры необходимо исследовать и получить научно обоснованные варианты его применения и развития.

В связи с этим исследования, проведенные в ходе выполнения диссертационной работы и направленные на создание и теоретическое обоснование типовых решений проблемы поэтапного формирования региональной телекоммуникационной инфраструктуры в условиях ограниченных ресурсов, актуальны и перспективны как на сегодняшний день, так и на среднесрочный период.

Важное практическое значение имеет и предложенный подход, обуславливающий формирование базовой сети, как основы телекоммуникационной инфраструктуры, для дальнейшего подключения региональных пользователей, осуществления межрегиональных связей, доступа к информационным и телекоммуникационным ресурсам федерального уровня.

Целью диссертационной работы является создание концептуальных и научных основ методики поэтапного формирования телекоммуникационной инфраструктуры региона, включающих теоретические результаты для ее обоснования и практической реализации, разработку необходимых математических моделей, получение достаточных условий сходимости процесса поэтапного формирования базовой сети постановка задач, решаемых на этапах.

Для достижения поставленной цели были проведены исследования по следующим направлениям:

· существующие проблемы построения телекоммуникационной инфраструктуры на региональном уровне и формирования базовой сети, как основной составляющей инфраструктуры;

· методы, специфические особенности и основные задачи формирования базовой телекоммуникационной сети регионального уровня в условиях ресурсных ограничений;

· процесс поэтапного формирования структуры региональной базовой сети и возникающие при этом задачи управления процессом на этапах;

· условия сходимости процесса за конечное число этапов и качество получаемого при этом решения;

· показатели качества и характеристики базовой сети и математические модели для расчета их численных значений;

· информационное наполнение телекоммуникационной инфраструктуры и его реализация по основным направлениям для Хабаровского края.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные при проведении исследований:

· теоретическое обоснование концепции поэтапного формирования телекоммуникационной инфраструктуры региона, как типовое решение при наличии ресурсных ограничений, не позволяющих практически создавать инфраструктуру по всем направлениям одновременно;

· математическое описание процесса поэтапного формирования структуры базовой сети региона, позволившее определить достаточные условия сходимости процесса за конечное число этапов при наличии ресурсных ограничений;

· задачи формирования структуры базовой сети на этапах, учитывающие цели этапа, имеющиеся ресурсы, результаты, полученные на предыдущих этапах, политику администрации региона;

· комплекс математических моделей для расчета и оптимизации характеристик структуры региональной базовой сети, при ее поэтапном формировании учитывающих наличие ресурсных ограничений и изменения условий на этапах;

· комплекс информационных ресурсов, созданных для загрузки телекоммуникационной инфраструктуры в области оказания образовательных услуг.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования в диссертационной работе является процесс поэтапного формирования структуры базовой сети региона и задачи, возникающие при реализации процесса.

Предметом исследования являются математические модели и алгоритмы, описывающие процесс поэтапного формирования базовой сети и позволяющие решать задачи на всех этапах.

Методы исследования определялись спецификой решаемых задач и поставленными целями. В работе использовались методы теории графов, теории систем, проектирования сетей связи, оптимизации, теории множеств и системного анализа.

Научная новизна, результатов диссертации заключается:

в выборе объекта исследования - процесса поэтапного формирования телекоммуникационной инфраструктуры региона и ее основной компоненты - базовой сети, который обладает рядом специфических свойств, определивших необходимость получения условий сходимости процесса и возможности получения требуемого результата за конечное число шагов (этапов);

в определении состава показателей качества (характеристик) структуры базовой сети, согласованных с региональными планами развития телекоммуникационной инфраструктуры и текущим состоянием региональной инфраструктуры;

в разработке комплекса математических моделей развития базовой сети, учитывающих необходимость выбора и возможность замены провайдеров, динамику начальных условий формирования сети и изменение целей, расчета численных значений характеристик сети, получаемых на этапах;

в создании комплекса теоретического и программного обеспечения для оказания образовательных услуг в области специальных разделов физики.

Полученные результаты являются теоретическим обоснованием и сопровождением концептуальных основ типовой методики поэтапного формирования телекоммуникационной инфраструктуры регионального уровня.

Практическая значимость результатов диссертации определяется:

возможностью их адаптации к конкретным региональным условиям, с учетом имеющихся программ информатизации, разнообразия провайдеров различного уровня, категорий пользователей и частных задач для каждого района и населенного пункта;

возможностью получения решения с заданными характеристиками в минимально возможные сроки, а также возможностью регулирования объемов финансирования на этапах, зависимости от получаемых результатов и поставленных целей.

В целом, совокупность полученных результатов можно рассматривать как типовую методику формирования структуры региональных базовых сетей в условиях ресурсных ограничений.

Достоверность и обоснованность результатов обусловлены согласованностью принятых ограничений и допущений с реальными данными по регионам, строгим математическим обоснованием построенных моделей и алгоритмов, согласованностью с имеющимися в печати данными о результатах и методах построения региональных телекоммуникационных систем и, наконец, полученными результатами при применении разработанных методов и моделей при формировании и информационном обеспечении базовой сети Хабаровского края.

Основания для выполнения работы. Работа является результатом систематизации и обобщения исследований, проведенных автором в период с 1990 года по настоящее время. Основные результаты получены в ходе проведения работ по Федеральным целевым программам «Электронная Россия» (2002-2005 гг.), «Интеграция науки и высшего образования» (2002-2004 гг.), «Развитие единой образовательной информационной среды» (2002 - 2005 гг.), Федеральной программы развития образования (2000-2005 гг.), Программы «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие ее научного потенциала» (подпрограмма 307 “Развитие региональной инфраструктуры научно-инновационной деятельности высшей школы в образовательной и научно-технической сферах”), НТП "Высшая школа, как важнейший государственный ресурс развития научно-технического потенциала регионов", Краевой программы «Информатизация образования Хабаровского края», а также при выполнении ряда проектов федерального и краевого уровня и хоздоговорных работ.

Реализация результатов. Результаты работы использовались при выполнении следующих договоров и контрактов.

В рамках Федеральных программ: проект "Развитие единой информационной среды учреждений образования и науки Хабаровского края" проект "Создание научно-аналитического центра мониторинга образовательных ресурсов Дальневосточного Федерального округа" (рег. № 1765), Проект №307.3.047: «Создание регионального портала единой информационной системы поддержки инновационной деятельности высшей школы”, проект «Создание Федерального ресурсного центра методического, кадрового и материально-технического обеспечения развития единой образовательной информационной среды в Дальневосточном федеральном округе» (Государственный контракт № 2353 от 15.11.02), «Поставка оборудования, выполнение работ и оказание услуг по подключению школ (учреждений основного общего образования) Хабаровского края к сети Интернет» (Государственный контракт № 273 от 9.03.04 и дополнение от 28.10.2004, № 605).

Результаты использовались при формировании региональной составляющей некоммерческих сетей RUNnet и Rbnet (Договор 28-99/РОС от 02.08.99, акт сдачи-приемки НТП, акт о введении в экспериментальную эксплуатацию узла доступа магистральной сети RBNet).

По проектам, поддержанным Национальным фондом подготовки кадров: «Подключение системы межшкольных методических центров и апробационных площадок Хабаровского края к краевой образовательной информационной сети и Интернет» (Договор № ELSP/C2/Gr/002/02-05 от 14.09.05 и дополнительное соглашение № 1 от 15.12.05), «Предоставление услуг доступа к сети Интернет центрам системы РКЦ-ММЦ в Хабаровском крае» (Договор № ELSP/C2/Gr/002/02-06).

При выполнении региональных программ и проектов:

- с Министерством образования Хабаровского края: «Организация работы в 2005 году отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования Хабаровского края и доступу к ресурсам отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования России» (Договор № 11-10-271/75 от 05.02.05), «Организация работы в 2006 году отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования Хабаровского края и доступу к ресурсам отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования России» (Договор № 11-10-20/121 от 11.01.06), «Выполнение в 2007 году работ для государственных нужд по управлению ресурсами и сервисами (администрированию) Хабаровской краевой образовательной информационной сети» (Государственный контракт № 11-10-4968/164/002 от 28.12.06), «Выполнение в 2008 году работ для государственных нужд по управлению ресурсами и сервисами (администрированию) Хабаровской краевой образовательной информационной сети» (Государственный контракт № 30071075 О от 28.12.07), «Создание и сопровождение сайта Хабаровской краевой информационно-образовательной сети» (в рамках проекта Организация работы в 2005 году отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования Хабаровского края и доступу к ресурсам отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования России» (Договор № 11-10-271/75 от 05.02.05)), «Разработка и сопровождение образовательного портала «Пайдейя» (в рамках проекта Организация работы в 2005 году отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования Хабаровского края и доступу к ресурсам отраслевой телекоммуникационной сети сферы образования России» (Договор № 11-10-271/75 от 05.02.05), «Создание и сопровождение сайта Министерства образования Хабаровского края» (Договор № 11-10-1214/145 от 27.03.2006), Эксплуатация и сопровождение в 2007 году программного комплекса управления и баз данных существующего web-сайта Министерства образования Хабаровского края» (Государственный контракт № 11-10-4967/163/001 от 28.12.06);

- с Министерством экономического развития и внешних связей Хабаровского края: "Расширение модемного пула узла связи ХКЦ НИТ для предоставления бесплатного доступа в Интернет школам г. Хабаровска" (Договор 15-60 от 28.12.01) ,“Развитие информационного сайта "Наука-Инновации-Образование в Хабаровском крае”. Договоры: № 15-114 от 28.01.03, № 15-157 от 08.01.04, № 15-231 от 22.02.05,№ 15-256 от 22.12.05. "Научно-методическое и техническое обеспечение информатизации образования Хабаровского края". Договоры: № 15-143 от 24.07.03;№ 15-183 от 01.03.2004, «Информационное обеспечение разработчиков и производителей инновационной и научно-технической продукцией» (Договор № 15-230 от 22.02.05).

Результаты работы внедрены в Тихоокеанском государственном университете, Хабаровской государственной академии экономики и права, Министерстве образования Хабаровского края, районных и муниципальных органах управления образованием, Министерстве экономического развития и внешних связей Хабаровского края.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических и научно-практических конференциях:

Межрегиональной научно-практической конференции «Роль средств массовой информации и информационно-коммуникационных технологий в региональном развитии» (Хабаровск 2003 г.), II, III, IV,V,VI краевых научно-практических конференциях «Новые информационные технологии в образовании: опыт, проблемы, перспективы» (Хабаровск , 2004 - 2008 гг.), Второй международной научно-практической конференции «Современные тенденции развития библиотечно-информационных технологий вузовских библиотек» (Хабаровск, 2005 г.), Дальневосточном международном экономическом форуме «Информационно-коммуникационные технологии на востоке России: состояние и перспективы» (Хабаровск, 2006 г.), Дальневосточной математической школе-семинаре им. академика Е.В. Золотова (Владивосток, 2003 г.), Дальневосточном инновационном форуме с международным участием. Секция «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (Хабаровск, 2003 г.), Международной научно-технической конференции ВИТ-2003 (Усть-Каменогорск, Казахстан, 2003 г.), XIII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, Межрегиональное Верхне-Волжское отделение Академии технологических наук России. 2004 г.), I Международном Дальневосточном экономическом конгрессе (Хабаровск, 2005 г.), Пятой региональной научной конференции, «Физика: Фундаментальные и Прикладные Исследования, Образование» (Хабаровск, 2005 г.), Седьмой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Владивосток, 2007 г.), Конференции "Электронная Россия на Дальнем востоке" (Владивосток, 2007 г.), XV Всероссийской научно-методической конференции «Телематика 2008» (Санкт-Петербург, 2008 г.), Межрегиональной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании и научной деятельности» (Хабаровск, 2008 г.), Всероссийской конференции «Современные информационные технологиии для научных исследовании» (Магадан, 2008 г.), V международной конференции «Интеграция информационных систем в образовании» (Псков, 2008 г.).

Результаты работы обсуждались на семинарах в Научно исследовательском институте ядерной физики МГУ, в научно-исследовательском институте Проблем морских технологий ДВО РАН, а также на Телекоммуникационной комиссии ДВО РАН, Совете ректоров Хабаровского края и Еврейской автономной области, Коллегии Министерства образования Хабаровского края, Ученом совете Тихоокеанского государственного университета.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 47 печатных работ, в том числе 1 монография, 18 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций, в трудах научно-технических конференций, а также в отчетах по госбюджетным и хоздоговорным темам, выполненным по теме диссертации при непосредственном участии и под руководством автора.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из шести глав, двух приложений и списка литературы. Объем диссертации 356 страниц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы и проведенных в работе исследований, определены цели и решаемые в диссертации задачи, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проводится анализ основных направлений информатизации России. Определена роль телекоммуникационной инфраструктуры и обоснована необходимость ее развития. Исследованы базовые принципы формирования телекоммуникационной инфраструктуры и показано, что к настоящему времени основные задачи по развитию телекоммуникационной инфраструктуры решаются на региональном уровне.

Информатизация государства и общества стала, безусловно, важнейшей задачей современного этапа развития Российской Федерации, решение которой является необходимым условием для успешного развития государства и общества во всех направлениях. Основные цели и задачи информатизации сформулированы в ряде документов, к наиболее значимым из которых, можно отнести: Стратегию развития информационного общества в Российской Федерации, Федеральную целевую программу «Электронная Россия (2002-2010) годы», Концепцию региональной информатизации до 2010 года, региональные и ведомственные программы информатизации.

Анализ документов позволил сделать следующие выводы:

· одним из наиболее важных направлений, которое обуславливает общий успех в выполнении общегосударственных программ информатизации, является создание современной информационной и телекоммуникационной инфраструктуры;

· центр тяжести в государственной информационной политике смещается в сферу региональной информационной политики;

· создание развитой телекоммуникационной инфраструктуры связано с привлечением значительных финансовых ресурсов и требует их эффективного и рационального использования, особенно в условиях экономического кризиса;

· создание телекоммуникационной инфраструктуры требует интеграции имеющихся информационных и телекоммуникационных ресурсов различного уровня, обобщения накопленного опыта по их разработке и эксплуатации, применения перспективных информационных технологий.

Повышенное внимание к формированию и комплексному развитию информационной и телекоммуникационной инфраструктуры (ИТИ) вполне обоснованно, так как ее наличие является необходимым условием интеграции и доступности различных информационных ресурсов и результатов в области информационных технологий и, следовательно, позволит привлечь к использованию электронных средств информационного общения большое количество новых источников информации и различных групп пользователей, обеспечит широкое внедрение инфокоммуникационных технологий (ИКТ) во многих сферах государственной, общественной и частной деятельности.

Проведенный анализ показал, что информационная составляющая ИТИ (информационная инфраструктура) на сегодняшний день достаточно развита в том смысле, что большинство организаций различных форм собственности, общественных объединений и заинтересованных физических лиц имеют свои информационные ресурсы, реализованные в виде разнообразных информационных систем, баз данных, файловых систем и т.д. Для ее дальнейшего развития необходимо решить ряд задач, связанных, например, с интеграцией данных и программного обеспечения, управлением доступом к информации различных категорий пользователей.

В настоящее время и на ближайшую перспективу, наиболее важной, трудоемкой и затратной задачей является развитие телекоммуникационной составляющей ИТИ (телекоммуникационной инфраструктуры), которая является необходимым дополнением информационной инфраструктуры и обеспечивает полноценное функционирование и использование информационных ресурсов на всей территории Российской Федерации всеми заинтересованными организациями и физическими лицами.

Основными действующими лицами телекоммуникационной инфраструктуры являются провайдеры. Провайдеров можно разделить, иногда достаточно условно, на группы по функциональному (провайдеры связи: магистральные (backbone) или первичные, вторичные, последней мили; хостинг-провайдеры; канальные провайдеры, контентные провайдеры и т.д.) или территориальному признакам. Существующие различия между провайдерами, определяют для пользователей величину оплаты услуг, и перед пользователями, особенно в регионах, почти всегда возникает задача выбора провайдеров и организации связи, требующей наименьших затрат на оплату провайдерам. телекоммуникационный информационный сеть

Для развития региональной информатизации базовыми направлениями являются интеграция информационно-технологической инфраструктуры региона с информационно-технологической инфраструктурой федерального уровня, создание типовых решений в сфере региональной информатизации включающих методическое и программно-техническое обеспечение.

Следует отметить, что региональные телекоммуникационные инфраструктуры значительно отличаются друг от друга по составу, степени оснащенности современным оборудованием и программным обеспечением, количеством обслуживаемых пользователей и охвату территории региона. Однако, не смотря на такие различия, существует целый ряд общих (типовых) проблем, решение которых позволит выделить перспективные направления развития региональных телекоммуникационных сетей, ускорить развитие телекоммуникационной инфраструктуры и повысить качество обслуживания пользователей.

Первая проблема состоит в том, что большинство технических площадок, на которых размещаются ресурсы Интернета находятся вдали от регионов и для доступа к ним, региональные Интернет-провайдеры должны пользоваться услугами магистральных провайдеров, цены на которые изменяются в зависимости от географического положения региона.

Cтабильный рост спроса на Интернет-услуги, особенно в удаленных от центра регионах, еще одна проблема, решение которой требует постоянно развивать телекоммуникационную инфраструктуру таких регионов.

Третьей проблемой является зависимость тарифной политики местных провайдеров от тарифной политики магистральных провайдеров. Проявляется все больший интерес к пирингу. Для решения этой проблемы необходима единая политика взаимодействия местных провайдеров, обеспечивающая их выживаемость. Реальным результатом такой политики на региональном уровне может стать базовая сеть региона, создаваемая совместными усилиями провайдеров различного уровня.

Еще одной важной проблемой является ограниченное ресурсное обеспечение проектов и программ создания и развития региональной телекоммуникационной инфраструктуры, что требует разработки специфических подходов и решений.

Перечисленные проблемы и направления их решения являются общими для многих регионов, поэтому целесообразно разработать комплексный и типовой подход к выработке решений, который можно применять на всей территории Российской Федерации.

В качестве объекта для приложения и апробации полученных в диссертации результатов рассмотрена телекоммуникационная инфраструктура Хабаровского края. Результаты анализа показали, что одним из факторов, тормозящих развитие ИТ в регионе, является недостаточно развитая сетевая и информационная инфраструктура.

Формирование и развитие телекоммуникационной инфраструктуры в регионе требует сосредоточить внимание на решении задач интеграции с телекоммуникационными системами федерального уровня и привлечение местных провайдеров, увеличения контингента пользователей и повышения требований к качеству услуг. При этом необходимо учитывать ограниченность разового финансирования для решения этих задач.

Таким образом, в общем случае, типовое решение проблемы формирования региональных сетей должно обеспечивать участие как федеральных и региональных провайдеров, оптимальное расходование средств финансирования на создание и эксплуатацию сети, подключение максимального количества пользователей и возможность развития в соответствии с общегосударственными и региональными программами.

Во второй главе исследованы основные проблемы формирования телекоммуникационной системы региона, как базовой составляющей телекоммуникационной инфраструктуры, включающей каналы и узлы связи различных провайдеров, обеспечивающей подключение пользователей. Сформулированы требования к системе и определены показатели качества системы.

Основными целями создания и развития телекоммуникационной системы регионального уровня (ТКСР): создание единого регионального информационного пространства и обеспечение информационного обмена (взаимодействия) между различными категориями пользователей региона; предоставление пользователям современных услуг для создания и использованию информационных ресурсов, обеспечение доступа в Интернет.

На практике ТКСР состоит из отдельных коммуникационных узлов обеспечивающих подключение к ТКСР аппаратуры пользователей, и связывающих их каналов связи (сегментов). Базовые коммуникационные узлы располагаются, как правило, в населенных пунктах региона, а к ним подключаются более мелкие узлы, через которые к ТКСР подключаются пользователи. Сегменты ТКСР создаются с привлечением провайдеров.

Анализ опыта построения региональных сетей показал, что при формировании ТКСР необходим учет количественного и социального состава населения, потребностей различных категорий потенциальных пользователей ТКСР в предоставляемых услугах, географических особенности региона, имеющейся коммуникационной инфраструктуры, плана развития региона.

Определен набор параметров и характеристик сети (системы), которые будут использоваться при разработке и проведении анализа методов построения системы и ее элементов.

Проведенный анализ показал, что ТКСР строится, как правило, на основе базовой (опорной, остовной) сети, объединяющей каналами связи базовые узлы. Базовые узлы на практике являются точками доступа к опорной сети в населенных пунктах региона, они также служат для объединения различных каналов связи (радио, спутниковые, проводные), установления связи между провайдерами. Каждый базовый узел имеет свою зону ответственности (зона обслуживания), где расположены пользователи ТКСР, подключенные к ней через данный базовый узел.

При формировании базовой сети необходимо решить следующие задачи: формирование множества базовых узлов; формирование структуры сети.

Специфическими особенностями формирования структуры региональной базовой сети, являются:

· поэтапность, требующая учета выделяемых на каждом этапе ресурсов и возможности внесения изменений в уже созданную ранее структуру;

· согласование планов развитие базовой сети и региона;

· решение на каждом этапе своей частной задачи формирования базовой сети с ограничениями, учитывающими специфику этапа.

Перечисленные особенности приводят к тому, что каждый этап создания базовой сети по своему оригинален, и на каждом этапе возможно несколько решений. Поэтому в распоряжении разработчиков и администраторов сети должны быть средства для анализа различных вариантов принимаемых решений, поиска решений, обеспечивающих выполнение заданных требований (ограничений).

В идеальном (простейшем) случае задача формирования структуры базовой сети может быть сформулирована как задача формирования системы связи, соединяющей все базовые узлы и имеющей минимальную стоимость. В этом случае задача формулируется как задача построения минимального остовного дерева на графе (MTS), где вершинами являются базовые узлы, а ребрами каналы связи. Однако, существуют принципиальные отличия реальной задачи формирования структуры базовой сети от идеального случая, связанные с наличием в регионе нескольких провайдеров, ограничениями по стоимости получаемого решения, ограничениями по затратам на эксплуатацию сети, после построения. Применение алгоритмов построения MST целесообразно в данном случае для оценки величины минимальных разовых затрат на создание сети.

Решение задачи можно искать с поэтапным применением алгоритмов построения покрывающих деревьев, выбирая из множества возможных деревьев то, которое удовлетворяет заданным условиям (ограничениям). Однако реальная ситуация в регионе может со временем меняться, возможно изменение начальных условий (исходного графа), вызванное развитием региона, что может потребовать пересмотра полученных ранее результатов. В результате возможен случай, когда применение алгоритмов построения MTS не может привести к решению задачи.

Все это делает задачу формирования базовой сети достаточно сложной и оригинальной. В связи с этим представляет интерес проведение предварительного анализа предложенного концептуального подхода, поэтапного формирования, определяющего условия и возможности его применения при решении практических задач. Для этого разработано теоретическое обоснование концептуального подхода к созданию систем с поэтапным развитием в условиях ограничения выделяемых ресурсов.

Суть предложенного подхода состоит в том, что из-за наличия ресурсных ограничений (отсутствия требуемого количества ресурсов для создания всей системы) не имеется возможности построить требуемую систему сразу (за один этап). Это приводит к необходимости поэтапного развития (формирования) системы, т.е. создания системы за несколько этапов, на каждом из которых для этого выделяется ограниченное число ресурсов.

При этом возникает целый ряд вопросов, связанных с возможностью получения оптимального варианта создаваемой системы, определения требований к исходным данным (параметрам) системы для получения решения за ограниченное число этапов, оценкой суммарной величины ресурсов для построения системы.

Основными задачами анализа, процесса поэтапного развития системы в условиях ресурсных ограничений, являются: определение достаточных условий, при которых решение может быть получено за конечное число этапов; оценка величины затрат на создание системы; оценка качества создаваемой системы.

Процесс развития (изменения состояния) системы привязан к интервалам времени (этапам), здесь номер этапа, - длительность этапа r. В промежутках между моментами окончания этапов система остается неизменной. Поэтому можно рассматривать систему только на множестве моментов , соответствующих моментам окончания этапов, где , (). - момент начала создания системы.

Для описания системы использован следующий набор показателей.

1. Множество параметров системы по окончании этапа r:

,

где - подмножество параметров типа i, сформировавшееся к моменту окончания этапа r, имеющее размерность ; M - общее число параметров системы. Здесь , . - подмножество базовых параметров, - подмножество вспомогательных параметров.

2. Множество вариантов развития системы на этапе r . Выбранный вариант для этапа r обозначается , . Множество всегда включает нулевой элемент (нулевой вариант), который соответствует случаю, когда на этапе система не меняется. Множество, состоящее только из нулевого варианта - .

3. Вектор состояния системы по окончании этапа r:

,

- состояние в начале создания системы.

Состояние на этапе r зависит от состояния на предыдущем этапе, принятого решения о развитии системы и набора базовых параметров системы по окончании предыдущего этапа.

4. Множество характеристик системы:

,

где - подмножество характеристик типа j; N - общее число характеристик системы.

5. Вектор требуемых затрат на реализацию варианта развития системы на этапе r: , где - величина требуемых затрат ресурса типа j при реализации варианта развития . Требуемые затраты на реализацию выбранного варианта развития, равны . Отметим, что в общем случае .

6. Вектор ресурсов, выделяемых на развитие на этапе r:

,

где - величина (объем) ресурсов типа m выделяемых на развитие системы на этапе r; K - общее число типов ресурсов.

7. Вектор имеющихся ресурсов на развитие системы на этапе r:

здесь - вектор остаточных ресурсов.

8. Вектор остаточных ресурсов на этапе r: .

В общем случае, , где , . - K- мерная функция.

Таким образом, система в момент окончания этапа r задается набором:

.

Целью (задачей) создания системы является достижение финишного состояния - .

При поэтапном создании (развитии) системы требуется построить конечную последовательность , порождающую такую последовательность: , что .

- число этапов, необходимое для достижения заданного состояния.

Необходимо уложиться в заданный объем ресурсов на каждом этапе:

либо: ,

т.е. , для всех ;

либо:

где , для всех .

Введем понятие вес состояния системы - . Будем считать, что система в финишном состоянии имеет максимальный, но конечный вес: при и .

Определены и доказаны достаточные условия существования решения задачи поэтапного создания системы, за конечное число этапов. При этом рассмотрены различные схемы создания системы при которых либо невозможно накопление остаточных ресурсов, либо возможно накопление остаточных ресурсов. При решении предполагается возможность нулевых решений на этапах, когда на этапе система не меняется из-за недостатка ресурсов.

Показано, как можно использовать эти результаты для анализа процесса построения конкретной системы - базовой телекоммуникационной сети региона. Для этого установлено соответствие между системными терминами и понятиями, применяемыми при проведенном анализе и терминами, относящимися к базовой сети.

Полученные результаты можно применять для анализа процессов поэтапного развития сложных технических систем, в условиях ресурсных ограничений.

В третьей главе исследуются различные варианты решения задачи формирования базовой сети региона. Рассмотрены общая задача и различные варианты постановки частных задач.

Создание региональной базовой сети является общей задачей.

В зависимости от конкретных возможностей региона общая задача может решаться по-разному. Исследованы два подхода к решению общей задачи - прямое и поэтапное решение.

Прямое решение общей задачи, когда нет ресурсных ограничений, и задача может быть решена сразу (за один этап).

В этом случае требуется построить базовую сеть, объединяющую узлы региона, так, чтобы:

здесь - весовые коэффициенты;

, () - множество матриц каналов связи, используемых в базовой сети;

- вектор подключенных к сети региональных узлов;

, вектор подключенных к сети пользователей;

- величина затрат на создание или аренду каналов связи;

- величина затрат на создание узлов связи;

- величина затрат на обслуживание каналов связи;

- величина затрат на обслуживание узлов;

- множество матриц, определяющих величину аренды и тарифных ставок провайдеров, интенсивности потоков данных.

Множество параметров базовой сети, получаемых после прямого решения общей задачи - Множество исходных параметров базовой сети до начала решения общей задачи -.

Множество , полученное при решении прямой задачи, это множество характеристик базовой сети.

Решение общей задачи должно удовлетворять заданной системе ограничений:

1. - все региональные узлы подключены к сети.

2. для всех - все пользователи подключены к сети.

3. Структура сети должна быть полносвязной.

4. - имеются ограничения финансирования. (-максимальная величина суммарных ресурсов, выделенных на построение базовой сети).

Решением прямой задачи будет набор: .

Показано, что одним из методов решения, при ограниченном числе региональных узлов может быть, метод направленного перебора вариантов, включающий известные алгоритмы построения покрывающих деревьев.

Однако, в общем случае, прямого решения общей задачи может не существовать, что обусловлено следующими факторами: величина , равная реальным затратам на создание и обслуживание базовой сети, оказывается недопустимо большой, т.е. ; невозможно на данный момент времени обеспечить связь (построить каналы связи) с некоторыми региональными узлами; параметры сети, являются переменными величинами и к моменту решения создания сети, условия задачи меняются; изменение приоритетов и целей в политике информатизации региона.

При поэтапном решении общей задачи формирования базовой сети появляется возможность на каждом этапе решать частные задачи формирования базовой сети, со своими начальными условиями, частными целями и ограничениями, которые учитывают и ограниченность имеющихся ресурсов, и изменение условий, что обусловлено конкретными требованиями к сети на каждом этапе, которые формируются в зависимости от наличия ресурсов, условий и направлений развития региона. При этом считается, что в течение всей длительности этапа условия частной задачи не меняются.

В процессе поэтапного решения частных задач получается последовательность результатов решений, образующих последовательность множеств {,,}, r номер этапа.

Множества (, ) частной задачи r соответствуют множествам. , общей задачи. При поэтапном решении общей задачи часть элементов множества параметров , полученного на этапе (r-1), является исходными элементами для этапа номер r, т.е. элементами множества .

Требуется, чтобы величина суммарных расходов на создание сети не превышала выделенных на это ресурсов: .

Величины соответствуют величинам , определенным для общей задачи, однако вычисляются на каждом этапе r.

Необходимо также обеспечить выполнения всех ограничений, аналогичных перечисленным для общей задачи.

Общая задача считается решенной на этапе , если по окончании этапа выполняются условия: .

Общая задача поэтапного формирования базовой сети может быть сформулирована как задача нахождения последовательности множеств параметров {} и характеристик {}, r=1,2,..., являющихся решениями частных задач на этапах,так, чтобы на каждом этапе выполнялись цели частных задач, а на последнем этапе выполнялись условия решения обще задачи.

При решении общей задачи задаются помимо множества :

- последовательность объемов ресурсов, выделяемых на этапах - ;

- множество весовых коэффициентов для каждого этапа: .

На каждом этапе может задаваться своя система ограничений. К которым относятся, например,

а) для каждого ,

если остаток ресурсов не переносится на следующий этап.

б) для каждого , если остаток ресурсов не переносится на следующий этап.

в) .

Решение частной задачи на этапе r задается набором .

Поэтапное решение общей задачи задается набором .Исследован поэтапный метод решения общей задачи с целью получения условий ее решения за конечное число этапов. Кроме того, исследован и прямой метод решения задачи формирования базовой сети, поскольку, как отмечалось выше, ее решение также не всегда возможно.

Для исследования методов решения общей задачи построения региональной базовой сети задача представлена как задача на графе.

Множеству региональных базовых узлов соответствует множество вершин графа , а множеству каналов связи множество ребер - , (), задаваемое парами, где каждой паре (ребру) соответствует элемент множества , определенного формулой (3.1.3). Таким образом, задан исходный граф .

Решение общей задачи сводится к построению на исходном графе покрывающего дерева с заданными свойствами, которые определяются набором ограничений, задаваемых в постановках задачи.

Для прямого решения общей задачи справедливо Утверждение 1:

Необходимым условием существования решения задачи 1 является связность графа узлов региона - , построенного по исходным данным задачи.

Для поэтапного решения справедливо Утверждение 2:

При поэтапном решении задачи 2, необходимыми и достаточными условиями существования решения за конечное число этапов являются: неизменность исходного графа ; последовательное увеличение веса покрывающего дерева на каждом этапе; сохранение ранее подключенных к базовой сети узлов.

Данное утверждение согласуется (является частным случаем) с результатами, полученными в главе 2.

Если исходный граф может меняться на этапах, что соответствует изменению числа региональных узлов или каналов связи, то возможность решения задачи 2 за конечное число этапов требует более детального исследования, учитывающего динамику и масштабы изменения графа .

При решении частных задач на этапах возможно изменение частных целей. Для успешного решения общей задачи 2 поэтапным методом необходимо согласование частных и общей целей. В противном случае система ограничений для общей задачи может быть невыполнимой. В нашем случае согласование целей подразумевает, что частные цели не должны приводить к невыполнению условий утверждения 2.

Кроме того, оптимальное покрывающее дерево, получаемое при прямом решении общей задачи и, покрывающее дерево, получаемое при поэтапном решении, могут не совпадать.

Разработаны различные варианты постановки частных задач формирования базовой сети. Варианты позволяют на каждом этапе максимизировать число подключенных пользователей или узлов, либо минимизировать затраты на формирования сети, допуская возможность изменения провайдеров.

Возможны системы ограничений для каждого варианта. Однако всегда остаются ограничения, связанные с полносвязностью структуры базовой сети на каждом этапе, наличием в составе базовой сети узлов, имеющих выход во внешние сети, обязательным сохранением уже подключенных к сети узлов и пользователей в составе сети. Эти ограничения обеспечивают возможность решения задачи поэтапного формирования базовой сети.

Разработан обобщенный алгоритм поэтапного решения общей задачи.

В четвертой главе приводятся результаты построения и примеры применения комплекса математических моделей для расчета характеристик потоков данных, поступающих в каналы связи и на узлы базовой сети. Модели используют результаты формирования структуры сети на каждом этапе и позволяют получить количественные оценки характеристик и показателей качества работы сети для анализа различных вариантов ее структуры.

Для описания и построения моделей вводятся определения канала связи между узлами, потока данных между узлами, маршрута передачи данных, между узлами, потока, поступающего в канал связи, транзитного потока, передаваемого по каналу связи, внутреннего потока узла.

Комплекс обеспечивает решение частных задач на этапах формирования базовой сети до тех пор, пока не будет решена общая задача.

Исходя из определения потока данных между узлами i и j интенсивность потока вычисляется по формуле:

,().

Суммарную интенсивность внутренних потоков между всеми пользователями типа m присоединенными к узлу номер j можно вычислить по формуле: ,().

Суммарная интенсивность внутренних потоков всех пользователей типа m узла j: ,().

Суммарная интенсивность потоков данных, передаваемых всеми пользователями типа m узла i всем пользователям типа m узла j: ,().

Суммарная интенсивность потоков пользователей типа m, передаваемых от узла i пользователям узла j: , ().

Получены матрицы суммарных интенсивностей потоков данных, передаваемых между узлами базовой сети пользователями типа m:

,

где , ().

Величина есть суммарная интенсивность внутренних потоков пользователей типа m на узле i: . ().

Построены модели расчета параметров потоков данных.

Суммарная интенсивность транзитных потоков данных, проходящих через узел j (при условии ): ,().

Суммарная интенсивность транзитных потоков, поступающих на узел номер j, от пользователей типа m: .Суммарная интенсивность потоков данных, поступающих на узел j: , ().

Нагрузка на узел, создаваемая каждым типом пользователей сети.

, ().

Модели для расчета нагрузки на каналы связи.

Получена матрица интенсивностей потоков данных, передаваемых по каналам связи базовой сети при заданном варианте (номер d) ее структуры на этапе r - ,

Модели затрат на создание и эксплуатацию варианта структуры сети.

Величина реальных затрат на создание или аренду каналов связи базовой сети на этапе r: .

Величина реальных затрат на обслуживание каналов связи базовой сети, на этапе r:

.

Формула позволяет учитывать различия в оплате трафика для различных типов пользователей и различных провайдеров.

Модели затрат, связанных с узлами связи.

Формулы для вычисления элементов вектора величины затрат на создание узлов базовой сети - и вектора величины затрат на обслуживание узлов базовой сети - . Компоненты векторов вычисляются как функции от интенсивностей потоков, поступающих на узлы.

Величина реальных затрат на создание узлов связи базовой сети для заданного варианта структуры на этапе r:

.

Здесь , если и , если .

Величина реальных затрат на обслуживание узлов связи базовой сети, для варианта d на этапе r:

.

Решена задача формирования множества узлов базовой сети. Формирование может происходить в течение всего периода создания и эксплуатации базовой сети. Исследованы следующие случаи при формировании системы узлов: создание нового узла, ликвидация уже имеющегося узла, объединение нескольких узлов в один новый узел, разделение узла на несколько узлов.

В пятой главе приводятся примеры применения полученных в диссертации теоретических результатов при формировании компонент телекоммуникационной инфраструктуры Хабаровского края. В качестве объекта приложения рассматривается процесс поэтапного создания Хабаровской краевой образовательной информационной сети (ХКОИС). Данная сеть, являющаяся элементом телекоммуникационной инфраструктуры региона, объединяет учреждения общего образования Хабаровского края, Министерство образования Хабаровского края, районные и муниципальные управления образованием, систему межшкольных методических центров. Сеть динамично развивается, за счет подключений новых пользователей, таких как учреждения дополнительного образования, центров детского творчества, детей с ограниченными возможностями. Поэтому данная телекоммуникационная структура является идеальным объектом для приложения теоретических результатов полученных во второй, третьей и четвертой главах диссертации.

Рассмотрен пример поэтапного формирования базовой образовательной информационной сети учреждений среднего образования, межшкольных методических центров (ММЦ) и органов управления образованием. Рассмотрены три этапа. Приводятся исходные данные для математического моделирования и решения задач на каждом этапе. Выбор направления, связанного с информатизацией среднего образованиям обусловлен тем, что этому направлению уделяется повышенное внимание как на федеральном, так и на региональном уровне. Создание этого участка информационно-телекоммуникационной сети учреждений образования и науки Хабаровского края было выполнено в рамках Федеральной целевой программы «Развитие единой образовательной информационной среды» (2002 - 2005 гг.) при долевом софинансировании из краевого бюджета. (Государственный контракт № 273 от 9.03.04 и дополнению от 28.10.2004 г. № 605). Подключение ММЦ и органов управления образованием было осуществлено за счет проектов «Национального фонда подготовки кадров» (Договор № ELSP/C2/Gr/002/02-05 от 14.09.05 г. и дополнительное соглашение № 1 от 15.12.05), также за счет краевого финансирования. При выполнении работ было подключено 70% школ Хабаровского края. Подключение всех учреждений общего образования края было выполнено в рамках приоритетного национального проекта.

...