Моделирование процессов передачи и обработки трафика в вычислительных сетях на основе аналитических и имитационных методов

Формулировка проблемы. Использование компьютерных сетей для решения самого широкого круга вычислительных задач началось в 80-х годах прошлого столетия. Но и сегодня мы наблюдаем активное внедрение сетевых технологий во все новые сферы деятельности. Интеллектуальную инфраструктуру современной организации сегодня нельзя представить без программных комплексов учета, поддержки принятия решений, экспертных систем, баз данных и т. п. Все эти средства нуждаются в надежной и качественной транспортной платформе. С растущими информационными потребностями общества все больше требований предъявляется к качеству работы вычислительных сетей (ВС), которые становятся все более сложноорганизованными. Надежность и производительность ВС часто являются критически важными факторами в деятельности организаций самых различных масштабов. В то же время ВС остаются уязвимыми для аппаратных и программных сбоев, атак злоумышленников.

Актуальность темы

Подобные факторы делают целесообразным использование средств анализа и моделирования ВС для обеспечения их оптимальной работы и профилактики сбоев. К средствам, моделирующим работу сетей, можно отнести COMNET от CACI Products Company, SimuNet от Telenix, OPNET от MIL3, NetCracker, OMNeT++, NS-2, NS-3 и другие. Работы современных исследователей в области теоретических основ моделирования трафика в ВС можно разделить на несколько групп [39]. К первой относятся работы, развивающие классический подход теории массового обслуживания (ТМО). Здесь важное место занимают исследования Вишневского В. М. [25,26], а также других авторов (Тарасов В. Н, Костров В.О.) [50,70]. Применительно к вычислительным сетям, ТМО рассматривает сети массового обслуживания и предлагает аналитические и численные методы расчета характеристик работы ВС. Большинство методов теории массового обслуживания основаны на предположении об отсутствии последействия у потока сообщений в сети.

Во вторую группу попадают исследования альтернативного подхода, согласно которому, сетевой трафик рассматривается как самоподобный процесс и обладает фрактальными свойствами [59,73]. Среди авторов этой категории можно отметить Ильницкого C.B. [25,26], коллектив американских исследователей (Taqqu M.S., Wilson D. V., Leland W.E.) [21,22].

К третьей группе можно отнести работы в прочих областях: статистических методов, имитационного моделирования, нейронных сетей [5,8]. Так, в Пермском государственном университете ведется разработка [43,54,55] распределенной имитационной системы Triad.Net, которая использует трехуровневое описание имитационной модели в формате M={STR,.ROUT, MES}, где STR — слой структур, то есть взаимосвязанных объектов, имеющих входы и выходы для передачи сообщений. Структуры могут быть представлены в виде графов. Алгоритм взаимодействия объектов структуры описывается с помощью процедур (рутин) уровня ROUT. В ходе работы имитационной модели объекты структуры обмениваются сообщениями, описанными на уровне MES. Группа исследователей из Пензенского государственного университета (Вашкевич Н.П., Дубинин В. Н., Зинкин С.А.) [42] формализуют ВС с помощью языка описания сетевых моделей (ЯОСМ) и далее используют статистические методы обработки полученной модели. Методология гибридного моделирования ВС на основе аналитических методов и дискретных систем подробно рассматривается в работе Ярославцева А. Ф. [75].

Аппарат математического моделирования вычислительных сетей, предоставляет сегодня базу для дальнейших исследований процессов передачи информации в сетях, а также ряд методов, пригодных для практического использования. Поскольку такие исследования ведутся, в основном, в двух направлениях: аналитического и имитационного моделирования, особый интерес представляют методы, разработанные «на стыке» этих направлений, которые позволяли бы использовать наиболее важные преимущества каждого из них. Такие варианты на сегодняшний день еще очень мало изучены.

В настоящей работе предлагается комбинированное использование аналитических и имитационных методов для решения широкого спектра задач анализа и моделирования ВС — от расчета сетевых характеристик до визуальной интерпретации работы ВС.

Целью работы является разработка, численная и программная реализация аналитических и имитационных моделей ВС, отражающих структуру и топологию сети, а также процессы передачи и обработки трафика.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка критерия выбора метода или комбинации аналитических и имитационных методов для решения различных задач моделирования ВС.

2. Разработка математической модели, формально описывающей структуру, топологию ВС и потоки сетевого трафика, для применения аналитических и имитационных методов моделирования.

3. Разработка математической модели ВС на основе сетей Петри, для проведения имитационных экспериментов.

4. Разработка аналитических и имитационных методов, а также эффективных численных алгоритмов их реализации для расчета характеристик однородных и неоднородных ВС: среднего размера очереди сообщений, среднего времени обработки сообщений в узлах сети и общего времени реакции сети.

5. Реализация программного комплекса для комбинированного моделирования ВС, расчета и анализа их характеристик.

6. Проведение вычислительного эксперимента по расчету сетевых характеристик, оценка и анализ полученных результатов.

Методы исследований:

В основе теоретических исследований лежат методы аналитического моделирования, в частности теория массового обслуживания и ее расширения, а также методы имитационного моделирования. Для аналитического расчета сетевых характеристик применяется метод баланса потоков и его численный аналог — метод Бузена (свертки), а также итерационный метод анализа средних значений. Имитационные модели используют методологию сетей Петри. Реализация программного комплекса требует применения методов объектно-ориентированного программирования. Результаты вычислительных экспериментов анализируются с помощью методов математической статистики.

Научная новизна работы:

1. Критерий выбора методов решения задач моделирования процессов передачи и обработки трафика в ВС, в качестве которого впервые предложено использовать функционал, отображающий упорядоченное множество входных параметров задачи на множество аналитических и имитационных методов решения данной задачи. Критерий предоставляет возможность построить формальный план комбинированного решения задачи, а также расширить круг задач моделирования ВС, традиционно решаемых в рамках одного специализированного программного продукта.

2. Модифицированный метод анализа средних значений (МУА-метод) для численного расчета времени обработки сообщений и размеров очередей сообщений в неоднородных сетях, отличительной особенностью которого является возможность расчета характеристик такой сети на основе искусственно введенной однородной сети путем усреднения показателей смешанного трафика. Характеристики искомой сети рассчитываются с помощью коэффициентов перехода, характеризующих отношение исходных данных неоднородной сети к аналогичным показателям «опорной сети», без использования итерационного процесса. Такой подход позволяет уменьшить вычислительную сложность по сравнению с прямым МУА-методом в задачах моделирования различных вариантов распределения неоднородного трафика.

3. Имитационная модель ВС на основе сетей Петри, отличающаяся введением новых объектов — ролевых функционалов, которые позволяют описывать объекты сетевой инфраструктуры (активные сетевые устройства и сегменты сети) и автоматизировать имитационный анализ сетей сложной структуры и большой размерности. 4. Программный комплекс для решения широкого круга задач моделирования ВС, основанный на алгоритмах комбинированного использования аналитических и имитационных алгоритмов.

Практическая значимость результатов работы:

— разработанные модели, методы и алгоритмы могут быть использованы при разработке программных средств мониторинга и моделирования ВС, а также для дальнейших исследований в этой области;

— реализованные модули программного комплекса могут быть использованы в совокупности или по отдельности сетевыми специалистами для:

• расчета сетевых характеристик и общей оценки работы сети и ее компонент, как в реальных, так и в произвольных условиях;

• принятия решений о модификации ВС на основе информации о состоянии и прогнозируемых данных;

• проектирования новых ВС;

• выявления аномального поведения ВС.

Реализация результатов работы:

Полученные результаты были использованы при выполнении планов научно-исследовательских работ КемГУ и ИВТ СО РАН в 2005;2011 гг.

Программный комплекс тестировался в КемГУ для исследования и анализа сегментов ВС, а также в ООО «Скиф» — аутсорсингового предприятия, обслуживающего вычислительную инфраструктуру угледобывающей компании «Кузбассразрезуголь». Использование программного комплекса на основе разработанных моделей позволило оптимизировать работу сетевых администраторов, а также подобрать ряд параметров для отдельных сегментов ВС компании «Кузбассразрезуголь», при которых среднее время реакции в исследуемом сегменте сети уменьшилось на 10−20% по сравнению с прежними значениями. Достоверность реализации программного комплекса подтверждается справкой об использовании.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК для предоставления основных результатов диссертации, 9 публикаций в трудах и материалах конференций. Публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Гудов A.M., Семехина М. В. Имитационное моделирование процессов передачи трафика в вычислительных сетях // Управление большими системами. М.: ИПУ РАН, 2010 г. Выпуск 31- стр. 130−161.

2. Семехина М. В. Имитационное моделирование трафика в вычислительных сетях на основе аппарата сетей Петри // Вестник КемГУ, Кемерово, 20 Юг, № 4(44) — стр. 10−15.

Труды научно-практических конференций и сборников:

3. Гудов A.M., Федотов А. М., Семехина М. В. Автоматизированная система сетевого моделирования // Труды VI Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» AS' 2007, г. Новокузнецк, 2007 г.- стр. 107−109.

4. Семехина М. В. Автоматизированная система сетевого моделирования // Материалы XI Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи», г. Анжеро-Судженск, 2007 г.- стр.118−121.

5. Семехина М. В. Распределенная информационная система моделирования компьютерных сетей // Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные Недра Кузбасса. IT-технологии», г. Кемерово, 2008 г.- стр.65−67.

6. Гудов A.M., Семехина М. В. «Комплексный подход к моделированию компьютерных сетей» // Труды VII всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» AS'2009, г. Новокузнецк, 2009 г.- стр.114−117.

7. Гудов A.M., Семехина М. В. «Комплексное моделирование трафика в вычислительных сетях» // Материалы VIII Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Информационные технологии и математическое моделирование», г. Анжеро-Судженск, 2009; стр.98−100.

8. Гудов A.M., Семехина М. В. Имитационное моделирование процессов передачи трафика в вычислительных сетях на основе модифицированных сетей Петри // Интеллектуальные технологии в образовании, экономике и управлении 2009. Сборник материалов VI международной научно-практической конференции, Воронеж, г. Воронеж, «Воронежская областная типография», 2009; стр. 348−353.

9. Семехина М. В. Гудов A.M. Комплексный подход к моделированию трафика в корпоративных вычислительных сетях // Сборник материалов VII Всероссийской конференции по теоретическим основам проектирования и разработки распределенных информационных систем «ПРИС-2009». г. Красноярск, 2009; стр.49−51.

10.Семехина М. В. Гудов A.M. Аспекты имитационного моделирования трафика в вычислительных сетях на основе Сетей Петри // Материалы IX Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Часть 1, Издательство Томского университета, г. Томск, 2010; стр. 73−77.

11.Гудов A.M., Семехина М. В. Комплексное моделирование трафика в вычислительных сетях // Материалы IX Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Информационные технологии и математическое моделирование» г. Анжеро-Судженск, 2010; стр.137−142. а также регулярно на научных семинарах кафедры ЮНЕСКО по НИТ КемГУ под руководством профессора К. Е. Афанасьева (Кемерово, 2005;2011).

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 108 страниц текста, в том числе 23 таблицы, 18 рисунков. Кроме того, в работу входит список использованных источников из 75 наименований и приложений на 12 страницах.

Выводы.

В четвертой главе приводятся результаты использования системы на реальных сетях создание моделей, расчет и анализ данных на основе моделей ВС, сверка их с реальными данными, собранными из сети, анализ полученных результатов. Решены подзадачи определения требований к информационной системе (ИС) и структуры ИС. Дается оценка качества работы системы, основанная на реальных испытаниях, позволяющая сделать вывод о том, что разработанная система «СиМАКС» соответствует поставленным задачам и общей цели работы и позволяет, используя различные инструменты, оценить состояние сети в реальных или прогнозируемых условиях.

В главе приводится описание интерфейса и основных возможностей системы, что в совокупности с полученными расчетными результатами позволяет также оценить практическую ценность системы для конечных пользователей: сетевых аналитиков и сетевых администраторов. Рассмотрены возможности интеграции, расширяемости и переносимости системы.

Заключение

:

1. В работе решается задача разработки и реализации методов и алгоритмов моделирования ВС, которая является актуальной научно-технической проблемой.

2. Предложена система классификации и декомпозиции задач моделирования, критерий выбора методов их решения, который позволяет расширить круг задач, традиционно решаемых с помощью программных продуктов.

3. Разработан приближенный метод анализа средних значений для расчета характеристик неоднородных сетей, позволяющий оптимизировать скорость расчета средних очередей и среднего времени обработки сообщений в устройствах ВС в задачах многократного расчета неоднородных сетей с общей опорной сетью.

4. Предложены принципы построения имитационных моделей ВС на основе сетей Петри, позволяющие с помощью новых объектов — ролевых функционалов, автоматически создавать и выполнять сети Петри для моделирования ВС.

5. Реализован программный комплекс «СиМАКС», который позволяет оперативно создавать аналитические и имитационные модели ВС путем автоматического получения данных из реальных сетей, а также решать различные задачи сетевого моделирования на основе комбинированного использования методов.

6. Проведен вычислительный эксперимент с использованием разработанного программного комплекса. Рассчитываемые показатели сети позволяют оценить качество ее работы в целом и отдельных сетевых устройств.

Диссертация предлагает решение задачи моделирования ВС в реальных и прогнозируемых условиях и может быть использована в качестве инструмента поддержки принятия решений об оптимизации ВС.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным использованием методов теории массового обслуживания, теории случайных процессов, результатами имитационного моделирования и практического использования для исследования трафика разработанных методов, алгоритмов и прикладных программных модулей.