Сетевая информационная система с виртуальными подсетями повышенной производительности

Возрастающие объемы информации, ее мультимедийный характер накладывают на информационные системы (ИС), объединенные в различного рода сети, требования по интеграции услуг и повышению производительности последних, повышению скрытности передаваемой информации и надежности ее доставки. Оптимальное объединение разнородного трафика в единые информационные потоки и эффективные их перераспределения по различным ИС с учетом требований повышенной скорости и скрытности являются сложной задачей. В условиях, когда часть ИС может обладать ограниченными скоростными характеристиками, важными являются разработка методов организации их функционирования и эффективное использование ресурса систем и сетей [1−7].

В основу решения задач по обслуживанию и передаче трафика в ИС, объединенных в сетевые структуры, положены основы: теории систем массового обслуживания [2,4,6,10] - для исследования широкого спектра протоколов ИС и сетей, теории графов [11−14] - в основном при решении задач сетевого уровня, теории управления [4,15] — в потоковых моделях распределения и управления трафиком, теории нечетких множеств (ТНМ) [16−21] - в задачах с нечетко заданными параметрами, теории фракталов [22— 24] - при рассмотрении свойств входного трафикаа также тензорная методология Г. Крона [25−31] - при решении канальных, сетевых вопросов ИС и организации баз данных на основе совмещения характеристик трафика и ИС. Вместе с тем для оценки эффективности применяемых, исследуемых и разрабатываемых методов остается имитационное моделирование процессов в ИС и сетях [6,7,24,26−37].

Одной из сложностей в обслуживании трафика является согласование разнородного входного потока с возможностями ИС и сетей (в настоящее время такое согласование осуществляется на основе соглашения между пользователем и сетью для заданных параметров трафика — скорости, пачечности, задержки, надежности доставки). В информационно-аппаратно-программном смысле важным является согласование потоков ИС со структурой, в которую они организованы (для этой задачи может использоваться тензорная методология Г. Крона [25]). Ввиду разных возможностей ИС, большого их количества в объединенных сетевых структурах эффективным является использование регулярных топологий [35,38] совместно со специальными методами маршрутизации. Во-первых, выигрыш в этом случае возможен за счет использования только локальной информации в ИС при маршрутизации и управлении потоками (совместно с использованием информации об исходных данных и методе построения избыточных нечетких самоподобных структур [30,39,40]) — во-вторых, использование избыточности позволит применить режим параллельной обработки и передачи информации. Кроме того, регулярные структуры обладают высокой структурной надежностью и содержат большое количество альтернативных путей равной длины [39]. Отрицательной особенностью таких сетей является их неприспособленность для передачи разнородного трафика.

В связи с этим актуальной является задача организации сетевых информационных систем (СИС) в виде сетевых ячеек, каждая из которых может быть представлена как распределенная информационная система, реализующая сетевые технологи и обслуживающая с заданными критериями качества разнородный трафик пользователей.

Объект исследований: сетевая информационная система.

Предмет исследования: процедурные модели сетевой информационной системы с виртуальными подсетями повышенной производительности.

Цель диссертационной работы: повысить эффективность взаимодействия пользователей информационной сети путем разработки метода формирования виртуальных подсетей повышенной производительности.

Задачи исследования:

— оценить эффективность распределения информационных потоков в ИС и сетях с учетом их стохастических свойств;

— выявить возможность построения и предложить организацию разнородных структурированных СИС на основе организации разнородных ИС;

— построить виртуальные подсети в СИС с динамическими структурами;

— разработать процедурную модель настройки СИС для ускоренной передачи информации в виртуальных подсетях;

— оценить информационную эффективность пакетной передачи информации в разработанной СИС с виртуальными подсетями повышенной эффективности.

Научная новизна работы: впервые решена задача использования избыточности структуры СИС для формирования виртуальных подсетей, обеспечивающих повышение производительности путем введения режима параллельной передачи пакетовразработан метод ускоренной передачи сообщений в виртуальных подсетях СИСпредложена процедурная модель настройки СИС для передачи информации по виртуальным подсетям в режиме ускоренной передачи, заключающейся в формировании сетевой ячейки для передачи сообщения в параллельном режиме. разработана структура СИС, реализующая метод ускоренной передачи сообщений, с блоками определителя категорий сообщений с базой данных характеристик сообщений, вычислителя потребного ресурса виртуальной подсети, блока настройки виртуальной подсети и режима передачи, имеющего базу данных топологий виртуальных подсетей и формирователь текущей топологии сети.

Практическая значимость работы заключается в полученных рекомендациях по использованию режима ускоренной передачи для низкоскоростной СИС на базе ПРС с сильной связностью и фиксированным числом абонентов, а также в возможности использования полученных процедурных моделей при' проектировании новых и анализе уже существующих сетевых информационных систем инженерами-проектировщиками.

Полученные.в ходе работы результаты использованы:.

1) в НИР «Эфир-PC», проводимой в ОАО «Тамбовский научно-исследовательский институт радиотехники «Эфир» по вопросам повышения эффективности информационныхсистем^ в. результате • которой выработаны рекомендации по использованию современных сетевых, информационных систем.

2) — при обучении студентрв специальности «Информационные системы и защита информации» на факультете информационных технологий 1 ОУ В ПО ТГТУ, что позволило повысить качество и эффективность учебного процесса- ,.

В первой главе диссертации в результате анализа современных ИС и сетей, а также проведенных исследований: сформулированы замечания, позволяющие: осуществить постановку задачи. В частности: рассмотрены особенности построения/информационных сетей, использующих различного рода ИС при передаче пакетовпроведен анализ основных характеристик и особенностей типов трафика — речифаксимильных сообщений, данных, видеосообщенийпроведено исследование статистического мультиплексирования информационных потоков разнородного трафика в. ИС: имеющей? разноскоростные выходные каналы связи. (КС) и аналогичное распределение его в сегменте упорядоченной структуры сети с пакетной коммутацией. В результате сформулированных замечаний указано на необходимость разработки СИС со структурной избыточностьюС целью повышения информационной эффективности СИС необходимо формировать детерминированные, на интервале рассмотрения устойчивые подструктуры СИС, которые исходя из минимального числа транзитных участков позволяют организовать режим параллельной передачи по непересекающимся маршрутам. Это одновременно должно минимизировать, j при определенных условиях, конфликтные ситуации при множественном доступе и существенно упростить задачу маршрутизации с использованием виртуальных подсетей.

Во второй главе показан вариант представления взаимного информационного воздействия подсетей с использованием метрики информационного пространства и связь последней с описанием нечетких структур информационных сетей. Показано, — что для интегрированной информационной сети «вклад» каждой подсети в информационном плане характеризуется своим углом поворота своей подсистемы в едином информационном пространстве. Так как модуль косинуса угла поворота лежит в интервале [0,1], то в целом различные подсети можно характеризовать значениями функций принадлежности к некоторой универсальной (объединяющей всех элементов) сети. Указанное выше означает, что значениями косинусов углов, т. е. коэффициентами в интервале [0,1], молено количественно регулировать передачу объемов информации при переходе от одной подсети к другой. Раскладывая описанную таким образом информационную сеть по уровням декомпозиции, всегда можно осуществлять управление подсетями на основе применения нечеткой логики. В главе показан вариант получения нечеткой структуры сети, который соответствует построению n-мерных гиперкубов, с той лишь разницей, что его вершины будут соответствовать нечетким подмножествам, приведена процедурная модель формирования таких самоподобных структур.

В третьей главе исследован алгоритм случайного множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (СМД КН/ОК), в результате чего определен диапазон значений вероятностей настойчивой передачи источниками в общий ресурс ИС, показано, что в условиях средней I f информационной нагрузки (несущественные потери информации) эффективным является управление потоками информации, в том числе их пульсациями. В результате предложено потоки распределять в СИС в параллельном режиме. Предложен подход формирования СИС с виртуальными подсетями для ускоренной передачи информации, разработаны метод ускоренной передачи в СИС с виртуальными подсетями и ее структура.

В четвертой главе рассмотрены особенности организации параллельной передачи в СИС на базе низкоскоростной пакетной радиосети (ПРС), разработана процедурная модель настройки СИС на передачу информации по виртуальным подсетям, предложена структура канала для организации виртуальных подсетей, проведено моделирование двух моделей информационных сетей: с общеизвестными протоколами, реализующими поиск кратчайших путей на графе, и СИС с предложенным методом ускоренной передачи. В результате исследований методом имитационного моделирования сделаны выводы и предложены рекомендации по применению СИС на базе низкоскоростной ПРС.

В заключении приведены выводы по работе.

В общем, структура работы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников из 74 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 125 страниц, из них список использованных источников — 8 страниц. Основной текст диссертации содержит 39 рисунков, 7 таблиц.

Выводы.

1. Разработана процедурная модель настройки СИС с виртуальными подсетями для ускоренной передачи сообщений, которая предполагает определение категорий поступающих сообщений для обслуживания, вычисление потребного ресурса виртуальной подсети, формирование виртуальной подсети и реализацию режима ускоренной передачи сообщения в виртуальной подсети.

2. Представлен вариант построения группового функционального канала для СИС на базе ПРС, позволяющий динамически осуществлять вход в сеть и реализовать построение топологии виртуальной подсети с двумя транзитными участками.

3. Разработаны модели низкоскоростной ПРС для передачи пакетов по кратчайшим путям и СИС на базе ПРС с реализацией режима параллельной передачи по виртуальным подсетям с различным количеством составных каналов: 2, 4, 8.

4. В результате проведенного имитационного моделирования определены условия применимости режима параллельной передачи пакетов в низкоскоростных ПРС. Применение восьми параллельных составных каналов в виртуальных подсетях в условиях средних и умеренно высоких нагрузок (до 100 пакетов/с для сети из 30 узлов) позволяет получить лучшие вероятностно-временные характеристики, повысить производительность сети до 30% и более чем на два порядка уменьшить информационные потери, по сравнению с методом передачи в ПРС по кратчайшим путям. Моделирование проведено для сетей с высокой связностью, когда средняя длина пути равна двум транзитным участкам.

5. Режим параллельности с применением виртуальных подсетей эффективен в условиях слабых информационных нагрузок. Увеличение количества параллельно функционирующих составных каналов расширяет эффективный диапазон его применимости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В современных условиях функционирования информационных систем и сетей актуальными вопросами являются их интеграция и возможность передачи мультимедийного трафика независимо от используемой технологии, условий передачи информации и имеющихся характеристик сетей. Важными при этом являются вопросы повышения скорости передачи информации и минимизация информационных потерь, особенно для низкоскоростных пакетных радиосетей. В работе исследован вопрос повышения скорости передачи информации в низкоскоростных информационных сетях и разработана СИС с виртуальными подсетями для ускоренной передачи сообщений. В результате решены следующие основные задачи.

1. Решена задача использования избыточности структуры СИС для формирования виртуальных подсетей, обеспечивающих повышение производительности путем введения режима параллельной передачи.

2. Разработан метод ускоренной передачи в СИС на основе использования параллельной передачи пакетов в специально формируемых виртуальных подсетях.

3. Предложена процедурная модель настройки СИС для передачи информации по виртуальным подсетям в режиме ускоренной передачи, заключающийся в формировании сетевой ячейки для передачи сообщения в параллельном режиме.

4. Разработана структура СИС, реализующая ускоренную передачу информации, отличающаяся вновь введенными блоками: определителя категорий сообщений с базой данных характеристик сообщений, вычислителя потребного ресурса виртуальной подсети, настройки виртуальной подсети и режима передачи, имеющего базу данных топологий виртуальных подсетей и формирователь текущей топологии сети.

5. Представлен вариант построения группового функционального канала, позволяющего динамически осуществлять вход в сеть и реализовать построение топологии СИС на базе ПРС с двумя транзитными участками.

6. Разработаны процедурные модели СИС для передачи пакетов по кратчайшим путям и СИС с реализацией режима параллельной передачи по виртуальным подсетям с различным количеством составных каналов: 2, 4, 8.

7. В результате проведенного имитационного моделирования определены условия применимости параллельной передачи пакетов в низкоскоростных ПРС с высокой связностью. Использование восьми параллельных составных каналов в виртуальных подсетях в условиях средних и умеренно высоких нагрузок (до 100 пакетов/с для сети из 30 узлов) позволяет получить лучшие вероятностно-временные характеристики, повысить производительность сети до 30% и минимизировать более чем на два порядка информационные потери, по сравнению с методом передачи по кратчайшим путям. Моделирование проведено для сетей с высокой связностью, когда средняя длина пути равна двум транзитным участкам.

Кроме того, в работе проведены исследования распределения разнородного трафика в ИС с разнотипными каналами связи, построения многоуровневых структур сетей. В частности: I.

1. Путем имитационного моделирования проведено исследование метода статистического мультиплексирования потоков в узлах сети и подобного распределения в сетевой детерминированной структуре. Показано, что задержки информации в низкоскоростных потоках при этом могут на несколько порядков уменьшиться за счет ресурса высокоскоростного канала связи. Вместе с тем увеличивается до двух раз задержка сообщений, изначально предполагаемых для передачи в высокоскоростном канале.

2. Осуществлено математическое представление метрики информационного пространства в ИС и сетях. Показано, что значения направляющих косинусов могут быть увязаны с уровнями декомпозиции информационной сети на основе ТНМ.

3. Проведены исследования СМД КН/ОК. Определены значения вероятностей настойчивой передачи, минимизирующие временную задержку пакетов при их трансляции в общем канале. Показано, что управление пульсациями потоков уменьшает временные задержки передаваемых пакетов.