Практика создания и расширения корпоративных вычислительных сетей (КВС) выдвинула проблему разработки обобщенных алгоритмов автоматизации их проектирования и интеграции. Это относится в равной мере как к решению задач выбора рациональной конфигурации аппаратного состава, так и определению наилучших алгоритмов объединения уже имеющихся ВС различных архитектур.
Наиболее сложными и трудно формализуемыми при этом являются задачи оценки вариантов построения вычислительной сети, а так же проверки эффективности разрабатываемого решения. Проблемы в проектировании сетей на перспективу можно объединить в две группы: локальные и глобальные.
Глобальные проблемы вызваны тем, что: основные международные организации по стандартизации не поспевают с принятием и апробацией новых стандартовзачастую международные организации по стандартизации вырабатывают дополняющие, дублирующие и альтернативные стандартыфирмы-разработчики сетевого оборудования (СО) решают многие актуальные вопросы по своему, вырабатывая при этом свои собственные технологиипостоянно появляются новые и исчезают старые фирмы-разработчики.
Локальные проблемы вызваны: меняющимися требованиями к пропускной способности КВСменяющимися требованиями к качеству обслуживанияменяющимся сетевым ПОсменой структуры организацийсменой видов деятельности и бизнеса организаций.
Из вышесказанного можно заключить, что вероятность конфликтов при установке в сети оборудования различных производителей или при объединении нескольких ЛВС с различной архитектурой весьма велика.
Наиболее перспективным инструментом для решения задачи анализа проектируемого решения представляется имитационное моделирование на ЭВМ. Аналитическое моделирование мало пригодно для таких задач, так как в большинстве случаев не удается получить решения задачи в законченном виде.
В нашей стране проблемами автоматизации имитационных экспериментов с моделями сложных систем, в том числе и моделями вычислительных сетей, занимались Альянах И. Н., Бусленко В. Н., Ермаков С. М., Максимей И. В., Мелас В. Б., Полляк Ю. Г., Пугачев В. Н. Сабинин О.Ю. Фомин Б. Ф. и др. Над разработкой методов и средств имитационного моделирования работают такие ведущие фирмы как IBM (США), Pritsker and Associates (США), Rapid Data (Англия), национальный институт INRIA (Франция), технический университет в г. Дрездене (Германия), Политехнический институт в Турине (Италия). Среди отечественных институтов наибольший интерес представляют работы Института проблем управления (г. Москва), центра «Робототехника» при МВТУ им. Н. Э. Баумана и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ).
В настоящее время разработан целый ряд программных систем имитационного моделирования, которые позволяют проводить эксперименты на различных моделях. Вместе с тем, использование существующих средств имитационного моделирования, при выполнении конструкторских и проектных работ, сопряжено с большими затратами средств и времени. Вызвано это главным образом следующими причинами:
— большой длительностью основных этапов проведения имитационного моделирования (формализация задачи, отладка модели, эксперимент, обработка результатов и др.), что часто не позволяет укладываться в приемлемые сроки выполнения проектных работ;
— большими затратами машинного времени на проведение статистико-имитационных экспериментов. Даже при использовании современных вычислительных систем требуются часы, а в некоторых случаях и десятки часов для получения результатов с требуемой точностью;
— необходимостью привлечения высококвалифицированного пользователя, обладающего разносторонними знаниями в различных областях науки и техники (математического моделирования, статистической оценки результатов моделирования, а также имеющего навыки работы с ЭВМ и хорошо знающего ту область, для которой создается модель вычислительной сети). Таким образом, разработка методов ускоренного имитационного моделирования, ориентированных на современные персональные ЭВМ, представляет собой актуальную задачу.
Цель настоящей работы — создание новых методов и инструментальных средств для организации ускоренного имитационного моделирования корпоративных вычислительных сетей, позволяющих существенно сократить сроки выполнения проектных работ, а также работ по поиску и устранению неисправностей.
В диссертации предлагается новый подход к организации систем имитационного моделирования, который снижает затраты и повышает отдачу имитационных исследований.
Основными результатами, содержащимися в работе и полученными автором, являются:
— аппарат и метод фрейм-продукционой формализации моделей, которые предоставляют удобный и эффективный способ описания КВС;
— методика организации ускоренного статистического моделирования которая позволяет сокращать затраты времени на реализацию экспериментов без снижения точности получаемых результатов;
— базы знаний для проектирования, оптимизации и поиска неисправностей в КВС с архитектурами Ethernet и Token Ring;
— программная система ускоренного имитационного моделирования с «дружественным» пользователю интерфейсом.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1) Разработана оригинальная методика символьной формализации корпоративных вычислительных сетей, основанная на использовании специального декларативного языка описания систем в терминах исследуемой области. Методика реализует такие современные концепции, как квазипараллельное, наглядное представление задачииспользование логических описаний с применением терминологии области.
2) Разработана методика организации ускоренного статистического моделирования в рамках имитационного эксперимента, которая гарантирует сокращение времени проведения статистического моделирования без потери точности результатов и эффективна для одновременной оценки нескольких критериев в условиях большой размерности вектора исследуемых величин.
3) Предложен адаптивный механизм планирования ускоренного статистического моделирования на основе использования явно задаваемых математических конструкций, обеспечивающий эффективность и точность статистических экспериментов.
4) Предложена универсальная система ускоренного статистико-имитационного моделирования корпоративных вычислительных сетей, на основе семантического представления модели. Система позволяет проводить ускоренный статистической анализ результатов имитационных прогонов моделей, реализует современные идеи и концепции создания автоматизированных интеллектуальных средств проектирования.
5) Разработана технология построения баз знаний для проектирования оптимизации и поиска неисправностей в КВС для архитектур Ethernet и Token Ring.
Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:
— Разработан аппарат фрейм-продукционой формализации корпоративных вычислительных сетей, который упрощает формализацию задачи и работу с полученной моделью, за счет предоставления пользователю возможности применения специфической терминологии, привычной для экспериментатора, из области моделируемой системы. Аппарат обладает, наряду с наглядностью, простотой, способностью к верификации модели, а также способностью интеграции с другими системами.
— Разработана эффективная методика организации ускоренного статистического моделирования на основе модифицированного метода расслоения пространства случайных величин, гарантирующая сокращение затрат машинного времени на проведение статистического моделирования без снижения точности получаемых результатов. Отличительной способностью предлагаемой методики является автоматизация процесса построения планирующих функций и работоспособность при большой размерности векторов случайных величин и оцениваемых критериев моделируемой системы.
— Предложен адаптивный подход к планированию моделирования, отличающийся возможностью его реализации пользователем, без определенных навыков работы, и при этом, не снижая точность и эффективность ускоренного статистического эксперимента, а также существенно упрощающий его работу.
— Разработана технология построения баз знаний для проектирования и оптимизации KB С, а также для поиска неисправностей в сетях, построенных на архитектурах Ethernet и Token Ring.
— Предложена программная система ускоренного статистико-имитационного моделирования вычислительных сетей, которая облегчает процесс человеко-машинного общения, может интегрироваться с другими системами, а также наращивать мощность моделирования без изменения кода программы.
Достоверность научных и практических положений, выводов и рекомендации подтверждается результатами экспериментов, а также результатами использования и внедрения.
Полученные научные результаты используются и внедрены в Государственном унитарном предприятии «Северное ПКБ», АОЗТ «Градиент», ООО «Телекосмос», о чем свидетельствуют соответствующие акты.
Предложенные в диссертации положения реализованы в виде программной системы с помощью языка программирования Эрити-Пролог 5.1. Экспериментальная оценка эффективности разработанной системы имитационного моделирования проводилась при решении нескольких практических задач: анализа функционирования участка вычислительной сети в АОЗТ «Градиент» и проектирования КВС в ООО «Телекосмос». Она подтвердила эффективность разработанных методик.
По теме диссертационной работы опубликовано пять научных работ.
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при проектировании корпоративных сетей в различных сферах производственной, коммерческой и научной деятельности, а также при расширении, модернизации и оптимизации работы сети.
Выводы по Главе 5.
1. Построенные модели корпоративных ВС позволяют оценить реализованную систему семантического моделирования со следующих позиций:
1) с позиции способности аппарата семантического моделирования описывать реальные технические объекты и упрощать процесс исследования модели;
2) с позиции ускорения этапа статистического исследования моделей, на основе метода расслоения пространства случайных величин;
3) с позиции способности аппарата семантического моделирования отыскивать наиболее узкие места в предлагаемом решении корпоративных вычислительных сетей, и на основе оптимизации их работы показать пути повышения пропускной способности в уже имеющихся сетях и заложить основу для их дальнейшего развития.
2. Разработанные модели позволили определить различные характеристики используемых вычислительных сетей. В частности удалось:
— определить наиболее предпочтительные варианты конфигурации оборудования по заданному критерию;
— наметить возможные варианты объединения уже имеющихся сетей;
— наметить возможные варианты повышения пропускной способности сети и ее дальнейшего расширения;
— распределить приоритеты между группами пользователей и в результате повысить эффективность всей сети;
— определить места зон наиболее частых сбоев работы корпоративных вычислительных сетей.
3. Исследование семантической модели проводилось в двух режимах: первый — с использованием обычной выборки статистических данных (метод Монте-Карло) — второй — с использованием модифицированного метода на основе расслоения пространства случайных величин. Применение модифицированного метода расслоенной выборки позволило сократить время проектирования корпоративных вычислительных сетей в 2,5 — 3 раза. Реальное сокращение затрат времени показало преимущество предложенного метода организации статистического моделирования, что и было отражено в актах об использовании результатов диссертационной работы.
4. Проведенные исследования работы КВС позволяют дать следующие рекомендации:
1) В локальной сети можно использовать технологию Ethernet со скоростью 10/100/1000 Мбит/с для подключения персональных компьютеров и серверов к портам коммутатора Ethernet первого уровня, что уменьшает вероятность появления коллизий, устраняет «борьбу» за пропускную способность и позволяет осуществлять полнодуплексную передачу данных. Такое подключение стоит гораздо дешевле, чем подведение каналов ATM.
2) Технологию Ethernet не рекомендуется использовать при соединении между собой коммутаторов в тех случаях, когда требуется обеспечение небольшого дрожания. Хотя в некоторых ситуациях можно просто повысить пропускную способность при помощи использования каналов Fast или Gigabit Ethernet (это будет стоить немного дешевле, чем использование ATM), но они не смогут гарантировать качества обслуживания.
1 70.
Заключение
.
Технологическая цепочка проектирования, оптимизирования и поиска неисправностей в вычислительных сетях включает в себя большое число операций, требующих существенных затрат машинного времени, значительных интеллектуальных усилий пользователей, выполнения больших объемов вспомогательных, часто рутинных, но трудоемких работ. К числу таких операций можно отнести: построение имитационной модели вычислительных сетейввод больших объемов исходных данных в терминах формализованного описания моделипоиск ошибок, допущенных при вводе исходных данныхмногократное воспроизведение исследуемого процессаанализ пользователем результатов моделирования и принятие им квалифицированных решений. Выполнение этих операций на существующих системах делает процесс проектирования, оптимизирования и поиска неисправностей в вычислительных сетях весьма длительным, не дает возможности провести достаточно глубоких исследований в приемлемые сроки, не позволяет гарантировать высокое качество принимаемых проектных решений.
Основные научные и практические результаты данной диссертационной работы заключаются в следующих положениях:
1. Разработан метод организации ускоренного имитационного моделирования вычислительных сетей масштаба предприятия, что позволяет сократить цикл исследовательского процесса.
2. Упрощение подготовительных работ конструкторов по созданию модели, вводу в ЭВМ и последующей отладке, за счет предоставления пользователю качественно новых свойств системы, таких как:
1) возможность формализации модели на языке той области, в которой создается модель и обеспечивающей ясное и наглядное понимание процессов, протекающих в модели;
2) способность продукта допускать формализацию модели иными средствами с использованием тесной интеграции системы моделирования с прогрессивными технологиями интеллектуализации труда, например, инженерии знаний. 7 Ъ.
3. Снижение затрат машинного времени на воспроизведение модели при статистическом характере исследования, за счет рациональной организации выборки данных (расслоения пространства исследуемых величин), и упрощения работы с моделью и с системой имитационного моделирования.
4. Реализована программа имитационного исследования вычислительных сетей, на основе полученных разработок.
5. Разработана открытая структура системы исследования вычислительных сетей, обеспечивающую интеграцию имитационного и статического моделирования, вместе с другими системами, например, системы информационной поддержки пользователя.
6. Разработан универсальный аппарат формализации описания вычислительных сетей, который допускает использование терминологии исследуемой системы и интеграцию с другими схемами описания.
7. Разработаны технологии построения баз знаний для проектирования, оптимизации и поиска неисправностей в КВС, построенных на архитектурах Ethernet и Token Ring.
В ходе разработки системы ускоренного исследования корпоративных вычислительных сетей предложено использовать:
A) интеграцию представления модели на базе логики фрейм — продукционных интеллектуальных систем, с сетевыми методами моделирования дискретно — непрерывных процессов, что позволит придать аппарату формализации новые полезные свойства. Например, такие как, использование профессиональной терминологии разработчика вместе со структурной наглядностью и гибкостью получаемой модели;
Б) адаптивную схему планирования статистического моделирования, которая позволяет эффективно проводить эксперимент, даже пользователю, не имеющему практических навыков работы с системой;
B) разработанный универсальный аппарат, который может использоваться как для моделирования, поиска неисправностей, так и для исследования полученных моделей и оптимизации сети при помощи экспертной системы.
