Математическое моделирование и рационализация проектирования интегральных систем обслуживания неоднородного трафика тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Суворов, Дмитрий Владимирович

• Суворов, Дмитрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Суворов, Дмитрий Владимирович

5

Глава 1. Анализ современных подходов к процессу моделирования неоднородных интегральных информационно-управляющих систем.

1.1 Общий алгоритм исследования.

1.2 Конвергенция технологий распределенных гетерогенных информационно - коммуникационных систем.

1.3 Гетерогенные интегральные информационно-управляющие системы.

1.4 Существующие разработки в области интегрального обслуживания.

1.5 Специфика взаимодействия подсистем.

Выводы.

Глава 2.Математическое моделирование гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы.

2.1 Структурный анализ гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы. Постановка и ограничения в задаче оптимизации.

2.2 Параметрический синтез гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы.

2.3 Идентификация методов определения среднего времени доставки сообщения в интегральной информационно - управляющей системе.

Выводы.

Глава 3. Идентификация параметров гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы.

3.1 Детализация модели гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы неоднородными средами передачи.

3.2 Математическая модель гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы.

3.3 Вероятностно - временные характеристики гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы.

Выводы.

Глава 4. Исследование и практическая реализация гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы.

4.1 Программная система численного анализа модели гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы.

4.2 Исследование модели и вероятностно-временных характеристик гетерогенной интегральной системы передачи информации.

4.3 Многокритериальный выбор вариантов структуры гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы.

4.4 Проектные решения по созданию гетерогенной интегральной корпоративной информационно-управляющей системы.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование и рационализация проектирования интегральных систем обслуживания неоднородного трафика»

Актуальность темы. На современном этапе общественного развития осуществляется переход к информационному обществу, которое предполагает новые формы социальной и экономической деятельности, основанные на конвергенции использования информационных и телекоммуникационных технологий. Технологической основой формирующегося общества является единая инфраструктура, обеспечивающая возможность доступа и управления информационными ресурсами.

Перспективы развития интегральных информационных систем вызывают необходимость их конвергенции в единую информационную и телекоммуникационную инфраструктуру, создаваемую на базе распределенных корпоративных информационно-управляющих систем, предоставляющих широкий спектр интегральных услуг. Объединенные неоднородные подсистемы корпораций используют различные технологии обслуживания трафика, что вызывает необходимость решения проблемы их совместимости.

Очевидно, что интегральная система, призванная реализовать взаимодействие между различными технологиями, должна основываться на открытых стандартах. Несмотря на практическое отсутствие математических моделей интегральных систем, международные стандарты по ним уже разрабатываются в рамках семиуровневой эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС) (Open System Interconnection, OSI), введенной International Standard Organization (ISO). В работе рассматривается архитектура систем, построенных в соответствии с концепцией OSI.

Интегральные информационно-управляющие системы во многом являются дальнейшим развитием объединенных информационных и цифровых телекоммуникационных систем, но проблемы их создания и проектирования обладают особой актуальностью, определяемой качественной новизной подобных систем как объекта исследования с точки зрения математического моделирования. Необходимо отметить отсутствие общепринятой методики моделирования и разработки, основанной на использовании существующих теоретических и практических результатов. Следовательно, интеграция техники и служб обеспечит пользователю ряд преимуществ интегральной информационно-управляющей системы: интеграцию услуг, сред передачи и, наконец, интеграцию с другими технологиями.

Работа выполнена в рамках научного направления Воронежского государственного технического университета - «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы».

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка методов и средств моделирования и анализа интегральных корпоративных систем с неоднородным трафиком для решения задач многокритериальной оптимизации при создании новых и модернизации существующих систем.

В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Анализ современных подходов к процессу моделирования сложных интегральных информационно-управляющих систем.

2. Математическое моделирование распределенной информационно-управляющей системы.

3. Идентификация параметров интегральной корпоративной информационно-управляющей системы.

4. Разработка программной системы численного анализа гетерогенной интегральной распределенной информационно-управляющей системы.

5. Реализация многокритериального выбора вариантов структуры интегральной корпоративной информационно-управляющей системы.

Научная новизна. К результатам работы, отличающимся научной новизной, относятся:

1. Математическая модель распределенной информационной системы, отличающаяся учетом неоднородного трафика и обеспечивающая идентификацию времен доставки и обслуживания с использованием z-преобразования.

2. Математическая модель интегральной информационной системы, учитывающая гетерогенность коммуникационных сред и обеспечивающая идентификацию вероятностно-временных характеристик системы,

• необходимых для последующего проектирования.

3. Итерационный алгоритм моделирования информационной системы с интеграцией служб, обеспечивающий сокращение вычислительных затрат за счет декомпозиции моделей протоколов и разнородных коммуникационных компонент.

4. Постановка и алгоритмизация решения задачи многокритериального выбора вариантов построения системы, обеспечивающие сужение множества допустимых решений за счет уточненной идентификации вероятностно-временных характеристик.

Практическая значимость работы. Практическая значимость диссертационной работы заключается в создании алгоритмических и программных средств моделирования, исследования и оптимизации вероятностно - временных и экономических характеристик гетерогенных подсистем корпоративных информационно-управляющих систем, позволяющих по заданным требованиям выбирать их параметры.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы реализованы в виде специальной программной системы «Расчет вероятностно-временных характеристик неоднородных систем передачи информации с интеграцией служб», полученной на основании результатов математического моделирования и предназначенной для расчета вероятностно-временных характеристик подсистем корпоративных информационно-управляющих систем. Программная система использована при расширении телекоммуникационных систем на территории Морского порта г. Санкт-Петербурга; при проектировании и оптимизации неоднородной корпоративной информационной системы ЗАО «НПК «Телстар» г. Санкт-Петербурга.

Программная система расчета характеристик неоднородных систем прошла Государственную регистрацию в ФАП ВНТИЦ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались и получили одобрение на Международной научно-технической конференции «КИСС» «Информационные сети и системы» (СПб, 1993); III, IV International informatisation forum "International Conference on informational networks and systems" ICINAS-94, ICINAS-96 (СПб, 1994,1996); НТК СПб ГУТ № 50 (СПб, 1997); VII-X Международных открытых научных конференциях «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 2002-2005); Международной научно-практической конференции «Качество образования на современном этапе развития: концепция и практика» (Орел, 2002); Региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2003); Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Социально-экономическое развитие регионов: реальность и перспективы» (Воронеж, 2003); Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2003); Международной научно-практической конференции «Единое информационное пространство» (Днепропетровск, 2003); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий» (Тамбов, 2004); Международной конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2004); СПб научно-практической конференции «Проблемы подготовки кадров в сфере инфокоммуникационных технологий» (СПб, 2005); Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса» (Тамбов, 2005).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 25 научных работах, в том числе 10 без соавторов; 4 в изданиях, рекомендованных ВАК России [73, 124, 129, 133]. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в списке литературы, лично соискателю принадлежит: в [5, 6] -особенности определения вероятностно-временных характеристик сетей, использующих различны протоколы доступа; в [58, 123] - алгоритм функционирования систем множественного доступа; в [72, 73] - метод синтеза централизованной структуры сети передачи данных с использованием теории систем массового обслуживания; в [74, 127] - структурное представление гибридной локальной сети, постановка задачи многокритериального выбора вариантов; в [122, 115] - способ введения приоритетной процедуры обслуживания в модель эфирно-кабельной ассоциации локальных сетей; в [116, 117] - метод оценки эффективности функционирования системы, включающий аддитивные и мультипликативные показатели; в [118, 119] - алгоритм процедур моделирования и оптимизации модели гетерогенной интегральной системы.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 168 наименований и трех приложений (содержащих программы, описание алгоритмов, общие характеристики пакетов прикладных программ). Основная часть работы изложена на 143 страницах, содержит 11 таблиц и 48 рисунков.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложено состояние проблемы, сформулированы цели и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, описан объект исследования. Приведены основные положения, выносимые автором на защиту, сведения об апробации и внедрении работы.

В первой главе выполнен сравнительный анализ существующих технологий, на основе которых возможно построение перспективных информационно-управляющих систем. Особое внимание уделено принципам функционирования конвергентных распределенных интегральных информационно-коммуникационных систем и вопросам их объединения. Произведенный обзор позволил сделать вывод о необходимости и актуальности создания универсальной методики моделирования и исследования распределенных интегральных корпоративных информационно-управляющих систем.

Вторая глава посвящена моделированию корпоративных информационно-управляющих систем. Разработанная модель системы в векторной форме отличается учётом структур взаимодействующих подсистем и применяемыми в них технологиями. Осуществлены постановки задач структурного анализа и параметрического синтеза, производится идентификация параметров модели с дальнейшей оптимизацией. Разрабатываются алгоритмы определения выражений вероятностно-временных характеристик.

Третья глава посвящена детализации разработанной модели взаимодействия подсистем корпоративной информационно-управляющей системы, дополненной учётом неоднородности коммуникационных сред.

Дискретно-стохастическое моделирование проводится с использованием математического аппарата марковских цепей и СМО. Процессы взаимодействия абонентов эфирной и кабельной подсистем моделируются двухфазными СМО в дискретном времени.

Четвертая глава посвящена программной реализации исследования корпоративной информационно-управляющей системы с интеграцией служб.

Программная система позволяет произвести имитационное моделирование на базе вычислительного эксперимента различных по структуре систем, автоматизировать процесс проектирования. Проводится численный эксперимент по исследованию влияния эксплуатационных параметров на функционирование системы и ее вероятностно-временные характеристики.

Практическая реализация проектных решений осуществлена путем внедрения предложенных теоретических результатов, алгоритмов и программных средств при расширении телекоммуникационных систем на территории Морского порта г. Санкт-Петербурга; при проектировании и оптимизации неоднородной корпоративной информационной системы ЗАО «НПК «Телстар» г. Санкт-Петербурга.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Суворов, Дмитрий Владимирович

Выводы.

1. Разработана программная система моделирования и исследования гетерогенной системы с интеграцией служб, позволяющая провести сравнительный анализ различных вариантов конфигураций систем и осуществить процедуры оптимизации подобных систем. Система зарегистрирована в Государственном фонде алгоритмов и программ (ФАП ВНТИЦ).

2. Произведен численный анализ поведения характеристик систем с различной структурой в условиях изменения эксплуатационных параметров и режимов работы. Проведенное сравнение различных структур систем, использующих различные скорости передачи в неоднородных средах и др. различные эксплуатационные параметры, позволило разработать рекомендации по допустимым величинам параметров систем, работающих в различных режимах.

3. В результате анализа проведенных исследований получены практические рекомендации по использованию различных конфигураций при заданных параметрах системы. Определены режимы работы системы для заданного типа конфигурации при ограничениях на значения характеристик с учетом специфики трафика реального времени. Показаны возможные пути

I изменения ряда эксплуатационных параметров за счет компромиссных соображений: увеличение, например, количества станций в системе возможно с одновременным ростом скорости передачи и др.

4. Решена оптимизационная задача выбора структур систем, основывающаяся на обобщенной аналитической модели в векторной форме. Реализован многокритериальный выбор вариантов построения системы, позволивший определить наилучшую структуру системы и оптимальные значения эксплуатационных параметров в различных режимах работы системы.

5. Получено множество Парето наиболее предпочтительных вариантов построения системы с введением зоны нечувствительности.

Трехкритериальная задача выбора решается в трех двухкритериальных пространствах: tq - Л(| , tq -К, flq -К для каждого вида трафика с последующим объединением полученных результатов.

6. Показана эффективность использования разработанной программной системы и предложенной методики оптимизации при оценке изменений характеристик в процессе проектирования и расширения подобных систем.

Оценка адекватности разработанной модели и программы расчёта подтвердила корректность разработанных модели и программы.

7. Разработанная программная система и предложенная методика оптимизации прошли успешную апробацию при проектировании расширения существующих систем на территории Морского порта СПб, оптимизации неоднородной корпоративной информационной системы ЗАО «НПК «Телстар», показав работоспособность и адекватность в практическом применении.

8. Представленная практическая реализация проектных решений основана на предложенных методах оптимизации и исследования характеристик гетерогенных интегральных систем, что подтверждается актами о внедрении.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Суворов, Дмитрий Владимирович, 2006 год

1. Авен О.И., Гурнн Н.Н., Коган Я.А. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. - М.: Наука, 1982.

2. Адлер Ю.П., Грановский Ю.В., Маркова С.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.

3. Айзерман М.А., Алескеров Ф.Т. Выбор вариантов: основы теории. М.: Наука, 1990.-240 с.

4. Анализ и синтез сложных технических систем. В 2-х ч., 4.1. М.: Воениздат, 1995.-401 с.

5. Ананченко И.В., Сорочинская К.В., Суворов Д.В., Холоднов В.А. Математическая модель и вероятностно-временные характеристики локальной сети с регулируемым контролируемым протоколом доступа. -ВИНИТИ, № 2445-В 2001 от 23.11.2001. 3 6 с.

6. Ананченко И.В., Сорочинская К.В., Суворов Д.В., Холоднов В.А. Математическая модель и вероятностно-временные характеристики локальной сети с синхронным случайным протоколом доступа. -ВИНИТИ, № 2444-В 2001 от 23.11.2001. 12 с.

7. Андрейчук О.Н., Кротова Н.В., Раковский О.В., Суворов Д.В., Чугреев О.С. Методические указания к лабораторному практикуму по курсу "Выбор вариантов". СПбГУТ- СПб, 1995.

8. Архитектура сетей. Frame Relay. http://www.ecttelecom.com/2Fframe.html

9. Афанасьев В.В., Горностаев Ю.М. Эволюция мобильных систем. М.: МЦНТИ,-2001.- 140 с.

10. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Дмитриев В.И. Сети мобильной связи. -СПб.: СПбГУТ, 2000. 196 с.

11. Балыбердин В.А. Оценка и оптимизация характеристик систем обработки данных. -М.: Радио и связь. 1987. - 177 с.

12. Балыбердин В.А. Анализ вычислительных систем реального времени. -М: Наука, 1989.-217 с.

13. Барлет М.С. Введение в теорию случайных процессов. / Пер с англ. Севастьянова Б.А.; М.: Издательство иностранной литературы, 1958, -384 с.

14. Баруча-Рид А.Т. Элементы теории марковских процессов и их приложения М.: Наука, 1969. - 512 с.

15. Башарин Г.П., Куренков Б.Ф. Исследование одной системы массового обслуживания с дискретным временем // Изв. АН СССР. Сер. Техн. кибернетика. 1983. № 6. - с. 26 - 30.

16. Башарин Г.П., Куренков Б.Е. О дискретной модели узла одной сети передачи данных // Системы управления информационных сетей. М.: Наука, 1983.-с. 82-90.

17. Башарин Г.П., Шнепс-Шнеппе М.А., Харкевич А.Д. Массовое обслуживание в телефонии. М.: Наука, 1968

18. Башарин Г.П., Ефимушкин В.А. Исследование однолинейной системы обслуживания с заявками нескольких типов в дискретном времени // Проблемы передачи информации.- 1984. Т. XX, № 1. - с. 95 - 104.

19. Башарин Г.П., Бочаров П.П., Коган Я.А. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчета. М.: Наука, 1989. -336 с.

20. Беленький А.С. Исследование операций в транспортных системах: идеи и схемы методов оптимизации планирования. М.: Мир, 1992. - 582 с.

21. Берлин А.Н. Устройства, системы и сети коммутации. СПб.: «Петеркон», 2003. 384 с

22. Бесслер Р., Дойч А. Проектирование сетей связи. Справочник. / Пер.с нем.; М.: Радио и связь, 1988. - 272 с.

23. Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы. / Пер. с англ.; -М.: Мир, 1990.-506 с.

24. Блэкман. Проектирование систем реального времени. М.: Мир. - 1977. -346 с.

25. Богуславский Л.Б., Дрожжииов В.И. Основы построения вычислительных сетей для автоматизированных систем. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 255 с.

26. Боккер П. ISDN. Цифровая сеть с интеграцией служб. Понятия, методы, системы. / Пер. с нем.; М.: Радио и связь, 1991. - 304 с.

27. Бусленко Н. П. Математические модели производственных процессов. -М.: Наука, 1964.-386 с.

28. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. -М.: Наука, 1978. 399 с.

29. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование. М.: "Бином", 1998

30. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. -М.: Наука, 1969. 576с.

31. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. М., 1998.

32. Теория систем и методы системного анализа в управлении и связи. Волкова А.Н., Воронков А.В., Денисов Ю.Я и др. М.: Радио и связь, 1983.-340 с.

33. Ганьжа Д. Простой протокол управления сетью // LAN. 1998. - N5. -С.21-23.

34. Гладкий B.C. Вероятностные вычислительные модели. М.: Наука, 1973. -210с.

35. Гладкий B.C. О некоторых принципах построения единой системы связи. В кн.: Сети ЭВМ и системы передачи данных. М.: Знание, 1977. С. 89-103.

36. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. -М.: Наука, 1966. -485 с.

37. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1988. - 400 с.

38. Гребешков А.Ю. Стандарты и технологии управления сетями связи. -М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2003. 288 с.39