авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Математические модели, методы анализа и управления в корпоративных сетях

-- [ Страница 1 ] --

Московский Государственный Технический Университет имени Н. Э. Баумана

На правах рукописи

Иванов Игорь Потапович

математические модели, методы анализа и управления в корпоративных сетях

Специальность 05.13.15 – Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский Государственный Технический Университет имени Н. Э. Баумана»

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Олейников Александр Яковлевич

доктор технических наук, профессор

Ретинская Ирина Владимировна

доктор технических наук, профессор

Саксонов Евгений Александрович

Ведущая организация:

Федеральное государственное учреждение

Российский научный центр

«Курчатовский институт»

Защита состоится « 19 » октября 2010 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.03 Московского государственного института электроники и математики (технического университета) по адресу: 109028 Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.3 МИЭМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «____» _______________2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

________________________ Ю.Л. Леохин

Общая характеристика работы


Актуальность проблемы

Развитие и широкое внедрение информационно-коммуникационных технологий во все сферы человеческой деятельности проявляется в локальных и глобальных компьютерных сетях. Изменение характера передаваемой информации, ее объемов и интенсивности может привести к возникновению блокировок и перегрузок в компьютерных сетях, несмотря на тенденцию к повышению их пропускной способности, следовательно, совершенствование методов анализа и управления в корпоративных сетях, направленных на повышение их производительности, остается актуальной проблемой и в настоящее время. Разнообразие передаваемой информации, ее интенсивность и объем приводят ко все большему отличию существующих математических моделей источников информации, коммуникационных узлов сетей и самого трафика, разработанных для сетей первых поколений, от реально наблюдаемых результатов их функционирования на современном этапе. Серьезным препятствием для исследования трафика в корпоративных сетях является также закрытость и ограниченность методик анализа процессов в узлах сетей, используемых в дорогостоящих зарубежных разработках. Поэтому разработка научных методов и алгоритмов создания структур и топологий транспортных подсистем корпоративных сетей, методов анализа функционирования коммутационных и оконечных узлов этих подсистем и их отдельных сегментов, развитие и совершенствование технологий управления трафиком передаваемой информации, реализуемых на штатном сетевом оборудовании и с помощью типового аппаратно-программного обеспечения, доступного сетевым администраторам и интеграторам, является актуальной задачей для повышения уровня автоматизации всех информационных процессов в многоплановой деятельности предприятий и организаций любых масштабов.



Решением ряда задач, относящихся к данной проблеме занимаются научно-исследовательские подразделения многих российских и зарубежных университетов и НИИ: Государственный научно-исследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций "Информика", Санкт-Петербургский государственный институт информационных технологий, точной механики и оптики (технический университет), Российский НИИ развития общественных сетей, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, Московский государственный университет им М. В Ломоносова, Московский институт электроники и математики (технический университет), Тамбовский государственный технический университет, Центральный научно-исследовательский институт робототехники и технической кибернетики, Уфимский государственный авиационный технический университет, Новгородский государственный университет, Самарский государственный аэрокосмический университет, Санкт-Петербургский государственный университет, Global Information Grid, Cisco Systems Inc, Factiva (совместное предприятие Dow Jones и Reuters), General Dynamics, HP, Honeywell, IBM, Microsoft, Northrop Grumman, Oracle, Raytheon, Sun и др. Несмотря на это, в открытой печати и ресурсах Internet практически отсутствуют методы анализа и синтеза транспортных подсистем корпоративных сетей предприятий, что негативно влияет на внедрение и освоение новых информационных технологий для решения важных народно-хозяйственных задач во всех отраслях.


Цели и задачи исследований

Целью диссертации является создание научных основ для проектирования, разработки и создания высокопроизводительных транспортных подсистем корпоративных сетей, их сопровождение и модернизации в процессе эксплуатации. Для этого необходима разработка математических моделей источников информации, нагружающих транспортную подсистему (т.е. математических моделей трафика на уровне доступа), математических моделей трафика в сегментах уровней распределения и ядра (т.е. после прохождения кадров через каскады коммутаторов, что в свою очередь требует разработки их математических моделей), методов регулирования интенсивностью трафика на интерфейсах источников и учет доступности ресурсов при проектировании топологии транспортной подсистемы.

Для достижения поставленной цели на базе анализа современного состояния стека протоколов TCP/IP проведена ее декомпозиция, в результате чего достижение этой цели обеспечивается решением следующих задач:

  1. Анализ структур транспортных подсистем современных корпоративных сетей, технологий взаимодействия их оконечных и транзитных узлов.
  2. Разработка математических моделей источников и стоков информации для характеризации нагрузки на транспортную подсистему.
  3. Развитие методов статистического анализа и мониторинга трафика в сегментах корпоративных сетей.
  4. Разработка математических моделей транзитных узлов (коммутаторов) корпоративных сетей с учетом их влияния на трафик в различных иерархических уровнях сети.
  5. Анализ и развитие методов и технологий управления объемами и интенсивностью трафика, переносимого транспортной подсистемой.
  6. Разработка методов анализа доступности общих ресурсов корпоративных сетей с целью снижения вероятности блокировок в транспортных подсистемах и повышения производительности корпоративных сетей.

Методы исследования

Для решения поставленных задач используются современные методы теории информации и теоретической информатики, математические методы теории вероятностей, теории очередей и массового обслуживания, планирования эксперимента и статистической обработки результатов экспериментальных данных.


Научная новизна результатов

1. Разработана новая математическая модель трафика в сегментах транспортной подсистемы с длительностью кадров, распределенной по закону Бернулли для технологии Ethernet, интенсивность поступления которых соответствует мультиплексированным и демультиплексированным регулярным потокам, позиционированным по Пуассону в отсутствие блокировок.

2. Предложена новая математическая модель коммутаторов в корпоративных сетях, как основных транзитных узлов транспортных подсистем в их различных иерархических уровнях.

3. Разработан новый метод регулирования интенсивности трафика в сегментах транспортной подсистемы путем пролонгации процессов в источниках информации, опирающийся на логику алгоритма случайного раннего обнаружения.

4. Выведено правило доступности ресурсов для анализа типовых информационных процессов в разных уровнях иерархии транспортной подсистемы корпоративной сети.

5. Разработаны принципы построения структур транспортных подсистем корпоративных сетей, обеспечивающих повышение их производительности при снижении процента информационных потерь из-за блокировки кадров в общих ресурсах.

6. Разработаны методики, алгоритмы и программы для экспериментальных исследований транспортных подсистем корпоративных сетей предприятия.

Достоверность полученных результатов диссертации подтверждается:

  • применением фундаментальных положений теории автоматов, теории алгоритмов и теории связи;
  • использованием известных методов теории систем массового обслуживания, теории очередей и процессов восстановления;
  • сопоставлением полученных решений с общеизвестными достоверными результатами, опубликованными в литературе;
  • экспериментальными подтверждениями для процессов в транспортной подсистеме реальной корпоративной сети МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Практическая значимость работы состоит в:

1. Разработанных алгоритмах и программах, дополняющих известные типовые процедуры статистических исследований сетевых характеристик.

2. Разработанном программном комплексе UDPPING для генерации нагрузки на транспортные подсистемы любых сетей и анализа пропускных способностей их сегментов.

3. Разработанных методиках определения характеристик коммутаторов корпоративных сетей без остановки их функционирования в транспортных подсистемах.

4. Полученных математических моделях ряда промышленных коммутаторов конкретных фирм производителей, предлагаемых на рынке сетевого оборудования.

5. Конкретных рекомендациях по организации транспортных подсистем корпоративных сетей для снижения доли потерь информации.

Результаты работы реализованы под научным руководством автора в корпоративной сети МГТУ им. Н. Э. Баумана и используются при ее эксплуатации, модернизации и развитии. Отдельные разработки диссертации используются в корпоративных сетях Российского НИИ Развития Общественных Сетей и Российском научном центре «Курчатовский институт».

Основанием для выполнения работы явились исследования, проводимые автором лично и под его научным руководством с 1993 года по настоящее время в МГТУ им. Н. Э. Баумана в рамках следующих Федеральных программ: ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России» (2002 – 2006 гг, направление 3.13 «Совместная разработка и адаптация вузами и исследовательскими организациями программ научно-методического обеспечения подготовки кадров в области суперкомпьютерных, информационных и наукоемких технологий», направление 4.16 «Развитие интегрированной сети с высокоскоростными телекоммуникационными каналами»), «Электронная Россия» (2002 – 2005 гг), «Развитие единой образовательной информационной среды» (2002 – 2005 гг), а также ряда госбюджетных и хоздоговорных НИР.

Апробация работы и публикации

Основные положения, представленные в диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: Телематика-2000: Международная НМК – Санкт-Петербург 2000 г, Создание телекоммуникационной среды высокопроизводительных технологий в регионах России: состояние, проблемы ВНТС – Уфа 2000 г, Relarn – 2001: VIII конференция представителей региональных научно-образовательных сетей – Петрозаводск 2001 г, Телематика-2001: Международная НМК – Санкт-Петербург 2001 г, Relarn – 2002: IX конференция представителей региональных научно-образовательных сетей – Нижний Новгород 2002 г, «Информационные технологии в образовании»: Международная конференция – Болгария 2002 г, Телематика-2003: Международная НМК – Санкт-Петербург 2003 г, Relarn – 2003: Х конференция представителей региональных научно-образовательных сетей – Санкт-Петербург 2003 г, V Международная конференция памяти академика А. П. Ершова – Новосибирск 2003 г, Современные наукоемкие технологии в промышленности России: высокопроизводительные вычисления и CALS-технологии ВНТС – Уфа 2004 г. Результаты диссертации изложены в 10-ти статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1-ом научном издании, 2-х статьях в других журналах, 10-ти трудах конференций, 2-х учебно-методических пособиях и в 23-х отчетах по госбюджетным и хоздоговорным НИР, в которых диссертант являлся научным руководителем.





Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и результатов и списка использованных источников. Работа изложена на 249-ти страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 15 таблиц. Библиографический список включает 108 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, рассмотрена ее необходимость и своевременность, определены цели и задачи исследования, сформулирована научная новизна и выносимые на защиту положения, изложена структура диссертации.

В первой главе диссертации проведен анализ современного состояния стека протоколов TCP/IP, в результате которого установлено, что именно этот стек является основным для реализации в корпоративных сетях предприятий различных профилей и масштабов. Выявлено, что бурное развитие информационно-телекоммуникационных технологий в последней трети XX века и в начале XXI столетия поставило новые задачи в области разработки и проектирования корпоративных сетей. Повсеместное проникновение технологий Internet/Intranet вывело на новый качественный уровень информационное взаимодействие структурных подразделений и отдельных пользователей в процессе функционирования предприятий и организаций различных масштабов практически во всех видах человеческой деятельности.

Стек протоколов TCP/IP де-факто вытеснил все остальные стеки практически во всех подсетях, составляющих Internet, и в корпоративных сетях предприятий. При этом на всех уровнях стека за его сорокалетнюю историю произошли и продолжают происходить существенные изменения, отражающие новые требования пользователей к количественным и качественным показателям информационного обеспечения в различных областях. Изначально ориентированный на передачу эластичного компьютерного трафика стек протоколов TCP/IP вполне успешно справился с проблемами, связанными с необходимостью доставки потребителю неэластичного трафика, характерного для приложений реального времени.

Успешное решение проблем переноса голосовой информации (IP-телефония), мультимедийной информации (видео- и аудиофайлы, IP-телевидение и радиовещание, IP-телеконференции и т.п.), информации по управлению системами реального времени (управление производственными процессами, охранные и противопожарные системы, системы мониторинга транспортных потоков и многое другое) оказалось возможным благодаря введению систем гарантированного качества обслуживания (QoS – Quality of Service), обеспечение которого затронуло все уровни стека протоколов TCP/IP.

Следует отметить наиболее существенные изменения, которые за последние двадцать лет произошли в технологии построения транспортных подсистем корпоративных сетей. На настоящее время моноканалы сетей шинной и кольцевой топологии практически полностью вытеснены иерархической (древовидной) топологией локальных сетей технологии Ethernet, построенных по принципу коммутации. При значительном удешевлении цены за порт (интерфейс) коммутаторы ЛВС фактически произвели революцию в проектировании корпоративных сетей. Переход от коаксиальных кабелей к витой паре способствовал еще большему удешевлению сетей Ethernet, а реализация технологий Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10 Gigabit Ethernet (витая пара категории 6) дает основание для замены названия «стека протоколов TCP/IP» на «стек протоколов TCP/IP/Ethernet». Снижение стоимости волоконно-оптических линий связи окончательно сняло территориальные ограничения при построении корпоративных сетей, а ближайшие перспективы по внедрению технологии 40 Gigabit Ethernet и 100 Gigabit Ethernet позволяют вести речь о возможной конкуренции технологии IEEE 802.3 технологиям PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) и SDH (Synchronous Digital Hierarchy).

Прогресс в области микроэлектроники и, прежде всего, разработка специализированных интегральных схем ASIC (Application-specific Integrated Circuit) для развития коммуникационных технологий также оказал свое благотворное влияние. Коммутаторы, по существу являющиеся устройствами 2-го уровня эталонной модели ISO/OSI, по своим интеллектуальным возможностям приблизились к маршрутизаторам, аппаратно реализуя алгоритмы, присущие сетевому уровню. В настоящее время наблюдается сближение сетевого и канального уровней модели ISO/OSI, широко используется MPLS (Multiprotocol Label Switching) в маршрутизации, практически во всех корпоративных сетях применяются коммутаторы 3-го уровня, появляются коммутаторы 4-го уровня. Существенно расширились интеллектуальные возможности и коммутаторов 2-го уровня, а именно: поддержка алгоритмов STA (Spanning Tree Algorithm), позволяющих резервировать сегменты ЛВС, обеспечение технологии VLAN (Virtual Local Area Network) для защиты от широковещательных штормов и повышения уровня защиты информации, классификация трафика в соответствии с уровнями QoS, управление объемом и интенсивностью трафика и т.п. Реализация коммутаторами дополнительных функций оказывает влияние на трафик информационного потока, проходящего через его интерфейсы. Выяснение характера этого влияния невозможно без соответствующих математических моделей коммутаторов в различных условиях их нагрузки.

В качестве основного объекта исследования выбрана корпоративная сеть МГТУ им. Н. Э. Баумана, которая являясь сложной гетерогенной системой как в отношении оконечных узлов, так и в отношении транзитных узлов, а также сред передачи информации представляет собой отличный полигон для исследования, анализа всех процессов, характерных для транспортных систем, реализующих физический, канальный и сетевой уровни эталонной модели ISO/OSI. Полученные результаты могут быть с высокой достоверностью распространены на корпоративные сети любых масштабов.

Декомпозиция проблемы создания методологии разработки транспортных подсистем корпоративных сетей включает в себя следующие задачи:



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.