Исследование и разработка методов и программных средств повышения эффективности построения и использования магистралей региональных компьютерных сетей

Актуальность работы. Компьютерные (телекоммуникационные) сети (КС), предоставляющие, в частности, широкие возможности доступа к мировым информационным ресурсам и ресурсам распределенных вычислительных сетей и центров высокопроизводительных вычислений, стали в последнее время катализатором прогресса в научно-технической, экономической, политической, социальной и практически всех других областях развития современного общества. От уровня развития телекоммуникаций в существенной степени зависит прогресс во всех указанных областях. Уровень же развития телекоммуникаций существенно зависит не только от уровня развития магистральных КС транснационального и национального масштаба, но и от уровня развития и рационального использования региональных компьютерных сетей, включая коммерческие сети операторов связи и крупные корпоративные и ведомственные КС регионального и городского (территориального) масштаба. В свою очередь, уровень развития и рационального использования указанных сетей зависит от уровня эффективности использования средств, затраченных на создание и развитие сетевой инфраструктуры, и от уровня эффективности использования различных телекоммуникационных ресурсов, таких как внешние каналы сети, внешние информационные серверы, внутренние информационные серверы сети, и серверы иных служб и пр.

Следует отметить, что вопросы эффективности использования средств, направленных на развитие сетевой инфраструктуры, с 80-х годов прошлого века являлись предметом многочисленных исследований отечественных и зарубежных ученых (см., напр., [33,52,58,59]), направленных на оптимизацию топологической структуры и емкостей каналов КС. Однако, в качестве исходной предпосылки таких исследований использовалось предположение об известности (и неизменности) интенсивности информационных потоков между коммуникационными узлами и стоимости коммуникационного оборудования и аренды каналов связи. Однако, в силу начавшегося в первой половине 90-х годов революционного темпа развития всемирной компьютерной сети Интернет (экспоненциального увеличения числа ее пользователей и, соответственно, емкости используемых каналов и производительности оборудования коммуникационных узлов) это предположение перестало выполняться. Между тем этот же период сопровождался бурным развитием различных сетевых технологий, существенно отличающихся не только по предоставляемым функциональным возможностям, но и по показателю «удельной стоимости» коммуникационного оборудования, а также по возможности масштабирования производительности этого оборудования и пропускной способности связующих это оборудование каналов передачи данных. При этом развитие сетевых технологий было настолько интенсивным, что практика построения КС значительно опередила развитие соответствующих исследовательских работ, не учитывающих последние технологические достижения. Автору не известно опубликованных работ, в которых бы проводился анализ выбора сетевой технологии, используемой для построения локальных или распределенных КС. Отметим, что наряду с показателями производительности и стоимости оборудования таких технологий существенное значение имеет показатель масштабируемости основанных на них решений. Поэтому выполнение подобного анализа имеет высокую актуальность. Между тем как стоимость коммуникационного оборудования коммуникационных узлов сети передачи данных и оконечного оборудования ее каналов, так и пропускная способность этих каналов могут в существенной степени зависеть от выбора этой технологии.

Отметим также, что, в известных исследованиях не нашел отражения тот факт, что эффективность использования построенной инфраструктуры КС существенно зависит от создания условий равномерной нагрузки на ограниченные ресурсы (внешние каналы и оборудование узлов передачи данных) и может быть существенно улучшена путем соответствующей «настройки» таких условий. Кроме того, эффективность использования КС существенно зависит от уровня интегрированное&tradeкомплекса программных средств, используемых для технического контроля, повышения эффективности использования и организации взаимодействия (договорного) с абонентами (пользователями) КС. Высокий уровень интеграции таких средств позволяет значительно сократить трудозатраты персонала на эксплуатацию КС и, таким образом, внести дополнительный вклад в повышение эффективности эксплуатации КС.

Поэтому актуальной проблемой в области развития магистральной инфраструктуры, а также математического и программного обеспечения региональных компьютерных сетей (КС) является разработка базирующихся на обоснованном выборе применяемых сетевых технологий методов эффективного построения магистральной инфраструктуры КС и разработка методов и программных средств, обеспечивающих повышение эффективности эксплуатации региональных магистральных КС.

Целью диссертационной работы является анализ и разработка методов эффективного построения магистральной инфраструктуры региональных телекоммуникационных сетей, а также разработка методов и интегрированного комплекса программных средств, предназначенных для повышения эффективности эксплуатации таких сетей как за счет более полного использования ограниченных сетевых ресурсов, так и за счет повышения уровня интеграции комплекса программных средств, применяемых для управления телекоммуникационной сетью и для предоставления телекоммуникационных услуг, и соответствующего уменьшения объема работы (и численности) персонала, обслуживающего КС.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Провести сравнительный анализ современных технологий передачи данных с точки зрения эффективности их применения и возможностей масштабирования основанных на них решений при построении рациональной структуры региональных КС и произвести выбор базовой технологии построения магистральной инфраструктуры. Выполнить анализ известных методов повышения эффективности использования ограниченных ресурсов.

КС. Выполнить аналитический обзор различных программных средств, используемых при технической эксплуатации КС и для учета предоставленных услуг с целью определения возможности и целесообразности интеграции этих средств в единый программный комплекс.

2. На основе результатов анализа современных сетевых технологий разработать методику построения магистральной инфраструктуры эффективных региональных КС.

3. Разработать методы, обеспечивающие повышение уровня средней загрузки ограниченных ресурсов сети (с одновременным повышением качества сетевых услуг) за счет обеспечения более равномерного характера нагрузки на такие ресурсы и динамического распределения нагрузки между различными классами абонентов КС в периоды сверхнормативной загрузки.

4. Определить внешние функциональные требования к интегрированной автоматизированной системе управления телекоммуникационной сетью (ИАСУКС).

5. Разработать открытую системную архитектуру ИАСУ КС, включающую динамически взаимодействующие средства поддержки управления конфигурацией сети и предоставляемых ею ресурсов, средства повышения эффективности использования ограниченных ресурсов сети и качества предоставляемых услуг, а также средства учета санкционированного использования ресурсов сети ее индивидуальными и корпоративными абонентами и средств организации финансового взаимодействия с абонентами сети.

6. Выполнить реализацию и анализ результатов применения ИАСУ КС.

Методы исследований: Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, системного программирования, теории массового обслуживания, а также методы теории графов.

Научная новизна работы. Научную новизну работы определяют следующие основные результаты:

1. Методика построения магистральной инфраструктуры региональной телекоммуникационной сети на базе совместного применения технологий семейства Ethernet и технологии MPLS с применением специальных методов построения топологии магистральной сети при наличии множественных резервных каналов.

2. Методы и программные средства повышения уровня средней загрузки ограниченных ресурсов сети и повышения качества сетевых услуг за счет обеспечения более равномерного характера нагрузки на такие ресурсы и снижения вероятности пиковых нагрузок.

3. Концептуальная организация и функциональные требования к интегрированной автоматизированной системе управления телекоммуникационной сетью (ИАСУ КС), обеспечивающей интегрированное использование средств учета уровня загрузки сетевых ресурсов и тарификации предоставляемых услуг, средств ведения договорной документации и финансовых документов для клиентов сети и пр. с предоставлением возможности прямого и косвенного гибкого управления времени’ым режимом загрузки ограниченных телекоммуникационных ресурсов сети.

4. Системная архитектура и методы открытой реализации ИАСУ КС, обеспечивающие расширяемость ее функциональных возможностей и предоставляющие возможности гибкой настройки на правила тарификации стоимости предоставляемых телекоммуникационных услуг.

Практическая значимость.

Практическую значимость работы представляет разработанные в рамках диссертации:

1. Методика построения эффективной по показателю «производительность/стоимость» магистральной инфраструктуры региональной КС на базе совместного применения технологий семейства Ethernet и технологии.

2. Методы повышения эффективности использования ограниченных ресурсов КС за счет динамического распределения полосы пропускания ограниченных каналов между абонентами с различными классами качества сетевого обслуживания.

3. Интегрированная автоматизированная система управления КС.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ [19−30,41−45], в том числе 2 статьи в журналах перечня ВАК [20,27], 2 статьи в иных периодических изданиях [22,29], 7 статей в сборниках трудов конференций, а также 6 тезисов докладов в сборниках трудов конференций.

Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах, включающих: Научно-методические конференции «Современные информационные технологии в образовании: Южный Федеральный округ», Ростов-на-Дону, 2003, 2005, 2006, 2007 гг.- Всероссийские научно-методические конференциии «Телематика», Санкт-Петербург, 2004, 2006 гг.- Всероссийские научные конференциии «Научный сервис в сети Интернет, Новороссийск, 2003, 2004 гг.- Всероссийские конференции представителей региональных научно-образовательных сетей «КЕЬА1Ш», 2004, 2006 гг.- Международные научно-технические конференции «Интеллектуальные и многопроцессорные системы — ИМС», Крым, Кацивели 2003, 2005 гг.- научные семинары ЮжноРоссийского регионального центра информатизации.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использовались при выполнении и вошли в результаты выполнения следующих НИР: проект № 423 «Создание проекта создания научно-образовательной и административно-хозяйственной сети Ростовской области на базе телекоммуникационных узлов Ростовского государственного университета» (в рамках подпрограммы «Высшая школа как важнейший государственный ресурс развития научно-технического потенциала регионов» Программы Минобразования РФ «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие ее научного потенциала»), № гос. регистрации 01.200.118 681- проект 1.7.43 «Разработка методов, технологии и специальных программных средств удаленного использования вычислительных ресурсов регионального центра высокопроизводительных вычислений в учебном процессе и научных исследованиях» (в рамках НОП Минобразования РФ «Научное, научно-методическое, материально-техническое обеспечение развития технологий информационного общества и индустрии образования») и проект «Создание системы доступа к распределенным информационным ресурсам учреждений и организаций сферы образования и науки Южного федерального округа» (в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 годы)»). Результаты работы внедрены в ООО «Цифровые телефонные сети — Юг».

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается обсуждением результатов диссертационного исследования на авторитетных всероссийских и международных конференциях, а также внедрением результатов работы в организациях, являющихся операторами различных региональных компьютерных сетей.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст диссертации содержит 136 страниц, 24 рисунка и 3 таблицы.

Список литературы

насчитывает 101 наименование. В Приложении 1 приведен акт о внедрении результатов работы. В Приложении 2 приведены примеры оконных интерфейсов ИАСУ КС.

5.4. Выводы по главе 5.

1. В настоящей главе предложена открытая архитектура ИАСУ КС, рассмотрены принципы построения и организация интегрированной БД этой системы, а также схема взаимодействия и организация работы ее подсистем.

2. Открытость системной архитектуры ИАСУ КС обеспечивается, во-первых, построением ее на основе расширяемой открытой модели предметной области (могут вводиться как новые типы или подклассы ряда определенных в модели сущностей, так и новые сущности), во-вторых, использованием интегрированной БД ИАСУ КС в качестве главного интерфейса между ее подсистемами (что делает эти подсистемы практически независимыми по управлению и упрощает добавление новых подсистем), и, в-третьих, использованием для взаимодействия подсистем открытых сетевых протоколов в случаях невозможности или нецелесообразности их взаимодействия через БДИАСУКС.

3. Результаты применения ИАСУ КС показали, во-первых — высокую эффективность предложенной методики построения региональных компьютерных сетей (почти 6-кратное удешевление реорганизации крупной сети по сравнению с предложениями ведущих производителей сетевого оборудования), во-вторых — повышение эффективности использования ограниченных внешних каналов региональной сети (увеличение ориентировочно на 30% количества договоров с «без лимитными» абонентами) с одновременным повышением (^оБ, и, в-третьих — повышение эффективности работы персонала, обеспечивающего работу с абонентами сети (при трехкратном росте размеров сети и количества абонентов количество обслуживающего персонала возросло лишь на 10−15%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе проведенных в рамках настоящей диссертационной работы исследований получены следующие основные результаты.

1. На базе анализа современных технологий передачи данных показана эффективность построения магистральной инфраструктуры региональных компьютерных сетей (КС) на базе технологий семейства Ethernet и разработана методика построения магистральной инфраструктуры региональной КС сети на базе совместного применения технологий семейства Ethernet и технологии MPLS с применением специальных методов организации магистральной сети при наличии «длинных» контуров в коммуникационном графе сети.

2. Разработаны методы повышения эффективности использования ограниченных ресурсов (каналов) КС, за счет распределения во времени нагрузки на ограниченные каналы.

3. Разработан метод динамического распределения полосы пропускания ограниченных каналов между абонентами с различными классами качества сетевого обслуживания, обеспечивающий как предотвращение сверхнормативных пиковых нагрузок на канал, так и повышение качества обслуживания абонентов низкоприоритетных классов.

4. Разработана концептуальная организация и определены функциональные требования к интегрированной автоматизированной системе управления компьютерной сетью (ИАСУ КС), обеспечивающей интегрированное использование средств учета и различных способов регулирования уровня загрузки сетевых ресурсов, средств тарификации предоставляемых услуг, средств ведения договорной документации и финансовых документов для клиентов сети и пр. с предоставлением возможности прямого и косвенного гибкого управления времени’ым режимом загрузки ограниченных ресурсов сети.

5. Разработаны архитектура и методы открытой реализации ИАСУ КС, обеспечивающие расширяемость ее функциональных возможностей и предоставляющие возможности гибкой настройки функциональных компонентов ИАСУ КС.

Полученные результаты могут быть рекомендованы к применению с целью повышения эффективности построения региональных компьютерных сетей за счет применения предложенной методик и для повышения эффективности эксплуатации таких сетей за счет повышения уровня использования ограниченных сетевых ресурсов и за счет комплексной автоматизации деятельности по обеспечению эксплуатации региональной компьютерной сети и по работе с ее абонентами.