Математическое и программное обеспечение имитационного моделирования и синтеза оптимальной структуры сети ETHERNET

Актуальность темы

В настоящее время локальные вычислительные сети (ЛВС) нашли широкое применение в различных сферах деятельности человека. В процессе развития ЛВС происходила стандартизация технологии объединения компьютеров в сеть — Ethernet, FDDI, Token Ring, и др. Наибольшее распространение получила сеть Ethernet, архитектура которой определяется стандартом IEEE 802.3 и базируется на протоколе функционирования общей среды передачи CSMA/CD.

Проблемами анализа и параметрической оптимизации ЛВС Ethernet занимались многие отечественные и зарубежные ученые, например, Коган Я. А., Майоров С. А., Вишневский В. М., Ляхов В. А., Родионов А. С., Марья-нович Т.П., Бертсекас Д, Клейн Дж., Войтер А. П., Эд Уилсон, и др. Эти вопросы достаточно хорошо проработаны. В настоящее время, как в России, так и за рубежом, практически единственным подходом к решению задачи выбора топологии ЛВС является опыт инженеров по системной интеграции. Так как ЛВС являются весьма сложными системами, это часто приводит к принятиям неоптимальных решений при их проектировании. Единственный способ избежать указанных трудностей — принимать решения с использованием средств автоматизированного проектирования.

Аналитические методы оперируют с относительно простыми моделями. В них сложно учесть специфические требования пользователей, а для разработки нового математического аппарата требуется значительное время и высокая квалификация разработчиков модели. При использовании имитационных методов можно построить весьма подробную модель. Но проведение имитационных экспериментов требует значительных затрат машинного времени, особенно с тех случаях, когда необходимо исследовать поверхности отклика для нахождения наилучшего решения. Как аналитическое, так и имитационное моделирование при решении проектных задач дают возможность оценить основные показатели качества сети, в частности, найти так называемые «узкие места», т. е. точки, в которых могут возникнуть перегрузки или отказы сети.

В последнее время появились работы по синтезу и структурной оптимизации компьютерных сетей на основе генетических алгоритмов, в частности Кузнецова И. В., Трекина А. Г., Бугрова Д. А., Аль-Шрайдеха X. С., Адиль О., Мальчерека М. Получен ряд частных результатов, но в целом задача структурной оптимизации ЛВС Ethernet является нерешенной. Существенной характеристикой любой программы анализа или синтеза ЛВС Ethernet является ее функциональная полнота. То же самое можно отнести и системам структурной оптимизации таких сетей. Важна не только непосредственно сама топология сети, но и то, в какой мере она отвечает потребностям либо проектировщика сети, либо сетевого администратора. Другими словами, в процессе оптимизации (нахождения наилучшей структуры) постоянно должно проверяться выполнение показателей качества сети. Это — любые заданные системным администратором параметры и характеристики, такие как время реакции на запросы системных программ или пользователей, особенности протокола — полнодуплексный или полудуплексный, задержки при передаче пакетов и их вариации, достоверность передачи информации, процент потерь пакетов, влияние коллизий на характеристики сети, а также параметры, накладывающие ограничения на время восстановления и реконфигурации ЛВС Ethernet.

Поэтому проблема создания новых систем синтеза оптимальной структуры ЛВС Ethernet с учетом возможности настройки такой системы на конкретную спецификацию (набор контролируемых параметров и характеристик) системного администратора является весьма актуальной.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в форме гранта, шифр 07−07−146-а.

Объектом исследований в рамках диссертационной работы является ЛВС Ethernet, оборудование, входящее в ее состав, процессы взаимодействия компонентов локальной сети.

Предметом исследования является математическое и программное обеспечение имитационного моделирования и синтеза оптимальной структуры сети Ethernet.

Целью работы является уменьшение расходов на проектирование и модернизацию ЛВС Ethernet, повышение качества проектных решений, анализ, сравнение и выбор необходимой конфигурации локальной сети, повышение качества оценки существующей или будущей корпоративной сети Ethernet, оптимизация структуры сети Ethernet.

Основные задачи. Для достижения цели диссертационной работы необходимо выполнить анализ проблемной области и решить следующие задачи: определить научные подходы для проведения исследованийразработать алгоритмы структурного синтеза и оптимизации крупномасштабной и многофункциональной сети Ethernetразработать методики проведения экспериментальных исследованийсоздать методики применения новых научных результатов на практике.

Методы исследования. Основные задачи решены с использованием: теории вероятностейтеории графов, теории систем массового обслуживаниятеории больших систем управления (БСУ) — общей теории системтеории имитационного моделированиятеории генетических алгоритмов, методологии структурного и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна. В диссертации решена важная научно-техническая задача по синтезу оптимальной структуры сети Ethernet. При ее решении получены следующие новые научные результаты: на основе модернизации агрегативного подхода определены базовые функциональные блоки имитационных моделей локальной сети Ethernet, а также способы их сопряжения, что позволило по сравнению с известными аналогами реализовать высокоскоростные алгоритмы оценки функции полезности генетического алгоритма с учетом показателей качества сети Ethernetпредложена новая модификация генетического алгоритма для синтеза топологии локальной сети Ethernet, в которой по сравнению с известными аналогами в качестве функции полезности используется система имитации, что позволяет при оценке данного варианта структуры учитывать влияние трафика пользователей на характеристики сети Ethernetсоздана визуальная система имитационного моделирования локальной сети Ethernet, в которой по сравнению с известными прототипами реализованы функции параметрической и структурной оптимизации локальной сети Ethernet с учетом ее показателей качестваразработана не имеющая аналогов методика параметрической и структурной оптимизации локальной сети Ethernetразработана не имеющая аналогов методика оптимизации структурированной кабельной системы корпоративной сети Ethernet.

Практическая ценность. Созданы инженерные методики и комплекс программ для моделирования сетей Ethernet и их структурной оптимизации. Полученные результаты обладают достаточной универсальностью, что делает возможным их использование в различных областях применения сетей Ethernet: для повышения качества, уменьшения стоимости и времени подготовки проектных решений на основе сетей Ethernetв городских сетях Metro Ethernetв промышленных сетях Ethernetв сетях, отличных от стандартов Ethernet, например, в виртуальных частных сетях или в сетях на основе многопротокольной коммутации меток MPLS.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены: в ООО «ЭлекТел» (г. Липецк) — в учебный процесс Рязанского государственного радиотехнического университета и используются студентами специальности 80 801 — «Прикладная информатика (в экономике)» при изучении дисциплины «Открытые информационные системы» и специальности 230 105 — «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» при изучении дисциплины «Сети ЭВМ и телекоммуникации" — в учебный процесс Липецкого государственного педагогического университета и используются студентами специальности 90 103 — «Организация и технология защиты информации» при изучении дисциплины «Компьютерные коммуникации и сети», а также студентами специальности 10 501 — «Прикладная математика и информатика» при изучении дисциплины «Архитектура компьютерных сетей».

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждается: анализом сходимости, вычислительной трудоемкости и затрат памяти алгоритмовверификацией разработанных программных средствсравнением результатов имитационного эксперимента и замеров характеристик действующей сети Ethernetсравнением характеристик структур ЛВС Ethernet, полученных с использованием генетических алгоритмов и реальных сетейимеющимися актами внедрения.

Апробация результатов диссертации. Результаты настоящей диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3 международных и одной всероссийской конференции: 12, 13, 15 международных конференциях «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» г. Рязань 2004, 2008 г., всероссийской научно-технической конференции «Информационные и телекоммуникационные технологии. Подготовка специалистов для информационной среды» г. Рязань 2009 г., а также на научных семинарах кафедры Электроники, телекоммуникаций и компьютерных технологий Липецкого государственного педагогического университета и Вычислительной и прикладной математики Рязанского государственного радиотехнического университета.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 17 работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 программа зарегистрирована в отраслевом фонде регистрации программ (Свидетельство № 20 076 138 090 per. 06.09.07).

Структура и объем диссертации

Диссертация содержит 135 страниц основного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 80 наименований и приложений на 26 листах. В диссертацию включено 59 рисунков и 11 таблиц.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [64 —.

80].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В процессе выполнения диссертационной работы был проведен анализ результатов исследований в данной области, выполненных другими авторами. Сделан вывод о том, что для нахождения оптимальной топологии ЛВС Ethernet используются следующие основные научные подходы: аналитический подход с использованием математических выражений, применение средств имитационного моделирования, использование генетических алгоритмов. Аналитические методы либо позволяют решать задачи относительно небольшой размерности, либо применятся для сетей с большим числом компьютеров и коммутационных устройств, но при введении существенных упрощающих допущений. Методы имитации позволяют создавать модели сетей Ethernet с большой степенью подробности, но имеют относительно небольшие возможности по структурной оптимизации сети. Анализ показал, что для нахождения наилучшей топологии весьма перспективным является применение генетических алгоритмов. В работах ряда авторов получены частные результаты по оптимизации сетей Ethernet, которые либо непосредственно не затрагивают область исследования данной диссертационной работы, либо объект исследования характеризуются незначительной функциональной полнотой. Сделан вывод о новизне, актуальности и практической значимости исследований.

2. Разработаны алгоритмы, система моделирования и инженерные методики для решения следующих проблем: нахождения оптимальных конфигураций технических и программных средств корпоративных сетей Ethernet при передаче различных видов трафиканахождения наилучших вариантов разбиения сети Ethernet на сегменты с использованием коммутаторовнахождения оптимальных конфигураций корпоративной сети Ethernet, создаваемой из подсетей с разной тактовой частотойкомплексной оценки показателей качества сети Ethernet с учетом стоимостных показателейкомплексной оценки показателей качества сети Ethernet с учетом надежности и времени восстановленияувеличения резервов пропускной способности сети Ethernetлучшей балансировки коммуникационного оборудования по нагрузкепроведения параметрической и структурной оптимизации сетей Metro Ethernet.

3. Для решения задач структурной оптимизации сетей Ethernet был выбран научный подход, заключающийся в комбинированном использовании генетических алгоритмов и специализированной двухвариантной системы имитационного моделирования. Высокоскоростной вариант системы имитации ориентирован, в первую очередь, на решение задачи структурной оптимизации и предназначен для оценки фитнесс-функции генетического алгоритма в итерационном режиме. Для создания такой системы автором предложена модернизация моделей структурного сопряжения элементов больших систем управления (БСУ), основоположником которого является Бусленко Н. П. Кроме того, сети Ethernet рассматривается в режиме, когда коммутаторы работают, как безинерционные, в сегментах сети практически отсутствуют коллизии, а выдача графической информации на экран, которая занимает много времени, не производится. Более подробный анализ сети Ethernet (уточнение тех показателей качества сети, которые не использовались в фитнесс-функции) выполняется с использованием полнофункционального варианта системы.

4. В диссертации получена совокупность научных результатов: на основе модернизации моделей больших систем управления определены базовые функциональные блоки системы имитации локальной сети Ethernet, а также способы их сопряжения. Это позволило по сравнению с известными прототипами реализовать высокоскоростные алгоритмы оценки функции полезности генетического алгоритма с учетом показателей качества корпоративных сетей Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet, Metro Ethernet. предложена новая модификация генетического алгоритма для синтеза топологии корпоративной сети Ethernet, в которой по сравнению с известными аналогами в качестве функции полезности используется система имитации, что позволяет при оценке данного варианта структуры учитывать планируемые показатели качества сети Ethernetсоздана визуальная система имитационного моделирования корпоративной сети Ethernet, с сегментами, работающими на разных тактовых частотах, в которой по сравнению с известными прототипами реализованы функции параметрической и структурной оптимизации сети Ethernet с учетом заданных показателей качества ее работывпервые разработан генетический алгоритм оптимизации корпоративной структурированной кабельной системы Ethernetразработаны не имеющие аналогов методики параметрической и структурной оптимизации локальной сети Ethernet и оптимизации струк турированной кабельной системы корпоративной сети.

5. Ценность полученных научных результатов подтверждена в процессе их практического применения. Разработанная программа зарегистрирована в отраслевом фонде регистрации программ (Свидетельство № 20 076 138 090 per. 06.09.07) и успешно внедрена в ООО «ЭлекТел» (г. Липецк) и в учебный процесс ГОУВПО Рязанского государственного радиотехнического университет и ГОУВПО Липецкого государственного педагогического университет. Практически доказана корректность полученных научных результатов, а также подтверждены характеристики алгоритмов по сходимости, вычислительной трудоемкости и затратам памяти. Получены экспериментальные оценки эффективности применения новых научных результатов.

6. Совокупность научных результатов, достоверность и эффективность которых получила практическое подтверждение, следует оценивать как решение важной научно-технической задачи, имеющей существенное значение для повышения качества и сокращения сроков проектных работ по созданию крупных корпоративных сетей Ethernet на основе применения средств автоматизированного проектирования.