Название: Автоматизированное проектирование вычислительных сетей крупных проектных организаций(Стецко А.А.)

Жанр: Информационные системы и технологии

Просмотров: 1347


Актуальность проблемы

За последнее десятилетие отмечается интенсивное развитие  вычислитель- ных сетей (ВС) различных конфигураций, интегрированных в глобальную ин- формационную сеть. Несмотря на широкое распространение ВС,  очень часто сети проектируются и устанавливаются без привлечения соответствующих тео- ретических научных результатов, что приводит в итоге к частым выходам сетей из строя и их большим перегрузкам. Для малых сетей это не является критич- ным, в то время как для ВС крупных проектных организаций ошибки разработ- чиков непосредственно сказываются на эффективности эксплуатации сетей.ВС предприятия представляет собой эволюционирующий объект, который за время эксплуатации переживает несколько модификаций.  Условия модифи-кации существенно отличаются от условий проектирования тем, что сущест-вующая ВС доступна для измерений. Результаты измерения параметров трафи-ка и эксплуатационных параметров ВС могут быть использованы для прогнози- рования параметров новой конфигурации ВС, создаваемой в процессе проекти- рования. При проектировании с нуля гипотетические параметры могут быть получены в результате вычислительного эксперимента в ходе  имитации (моде- лирования) или в результате экстраполяции результатов какого-то «типового» варианта на рассматриваемый вариант сети.Следовательно, автоматизированное проектирование (АП) ВС предполага-ет в качестве обязательной компоненты подсистему моделирования сети. Ма- тематическая модель ВС описывает топологию узлов, каналов и коммуникаци- онного оборудования. Взаимодействие узлов на прикладном уровне описывает- ся как взаимодействие   производственных процессов. Однако современные средства АП ВС не решают задачу комплексно, в частности не включают спе- циальные подсистемы математического моделирования трафика ВС.Важная научно-техническая проблема АП ВС крупной проектной органи- зации связана с отсутствием известного и развитого целостного теоретического похода к проектированию, интегрирующего собственно проектирование, моде- лирование и оптимизацию. Без комплексного подхода невозможно получить архитектуру САПР ВС, обеспечивающую высокое качество проектных реше- ний за счет согласования в ходе проектирования транспортного и прикладного уровня описания сети.Цель диссертационной работыЦелью диссертации является разработка нового теоретического подхода к автоматизированному проектированию ВС на основе интеграции процессов принятия проектных решений, моделирования и оптимизации в условиях не- четко заданного трафика и нечетких метрик маршрутизации, разработка на ос-

нове данного подхода нового структурно-функционального решения САПР ВС, позволяющего повысить качество автоматизированного проектирования в ус- ловиях неопределенности.Задачи исследованияДля достижения поставленной цели необходимо решить следующие ос-новные задачи исследования:•             необходимо провести сравнительный анализ известных интеллектуаль-ных методов  оптимизации,  существующих систем автоматизированногопроектирования и моделирования ВС, в том числе языков имитационного моделирования;•   необходимо построить         математическую модель       АП ВС, позволяющуюиспользовать современные методы  поиска  проектных решений, в  томчисле   генетическую оптимизацию; адаптировать генетические алгорит-мы (ГА) к задаче оптимизации ресурсов в ВС;•             необходимо разработать интеллектуальную систему АП ВС на  основемоделирования рассуждений проектировщика ВС, исследовать примени-мость схемы рассуждений  на основе распространенного метода байесов-ских сетей доверия (БСД);•           необходимо разработать формализованную модель трафика ВС, позво-ляющую использовать как качественные оценки, так и результаты стати-стических измерений;•             необходимо выработать ряд дополнений к известным языкам имитацион-ного моделирования с целью их адаптации к задаче АП ВС, построитьметодику слияния двух видов описаний сети: прикладного описания        и описания транспортной структуры сети;•          необходимо разработать средства представления структуры ВС, позво-ляющие описывать структуру ВС с разной степенью требуемой точности,например,    на основе нечетких гиперграфов; построить методику учета нечетких метрик; сформировать алгоритм маршрутизации с использова- нием нечетких гиперграфов и нечетких метрик;•             необходимо разработать функциональные модели узлов на прикладномуровне: имитационные модели серверов и клиентов;•         необходимо разработать алгоритм для решения задачи генерации транс-портной схемы ВС, позволяющий успешно решить прикладные задачи вусловиях неопределенности;•             необходимо  разработать  и  реализовать  средства  оптимизации  ВС  какпрограммную систему и исследовать ее результативность на примере ВСконкретных проектных организаций.Методы исследованияСовременная теория неопределенности, неточности и нечеткости; теория нечетких систем; теория графов, теория имитационного моделирования, мето- ды генетической и байесовской оптимизации

Результаты, выносимые на защитуОсновные положения, выносимые на защиту.1. Теоретический подход к построению САПР ВС, сочетающий проектные процедуры с моделированием трафика и оптимизацией   проектируемой ВС.2.  Методы оптимизации проектных решений на основе генетических алгорит-мов (ГА) и байесовских сетей доверия (БСД), позволяющие определить со-став коммуникационного оборудования и пропускную способность каналов.3.  Язык дополненных потоковых диаграмм взаимодействия прикладных задач,позволяющий выполнить имитационное моделирование            трафика ВС.4. Математическая модель трафика корпоративной сети на основе нечеткой случайной величины,   позволяющая оперировать прогнозными данными о трафике и вычислительной загрузке сети, использовать нечеткие метрики при маршрутизации.5.  Формализованные функциональные модели  прикладных процессов: имита-ционные модели серверов и клиентов на основе сетей Петри.6.  Гибридный метод, объединяющий нечеткое моделирование и распознавание нечетких тенденций для временного ряда трафика ВС и позволяющий стро- ить результативные модели серверов приложений и клиентов.Научная значимость работы.Автор  защищает: разработанные модели  автоматизации проектированияВС; результаты теоретических, экспериментальных и практических разработок, внедрение в  промышленную и  опытно-промышленную эксплуатацию САПР ВС, в целом составляющие комплексный теоретический подход к построению САПР ВС.Научная новизна. Впервые:1.  Адаптированы методы генетической оптимизации для всех основных эта-пов автоматизированного проектирования ВС.2.  Построена мера трафика как нечеткая случайная величина и разработана формализованная модель сети на основе теории нечетких гиперграфов, по-зволяющая на основе вероятностных нечетких величин оперировать про-гнозными данными о трафике и вычислительной загрузке сети.3.  Разработаны методы поиска проектных решений на основе байесовской оптимизации.4.  Предложен язык модифицированных DFD-диаграмм (Data Flow Diagram),дополненных расписанием, для автоматизированного проектирования ВС.5.  Предложен метод  моделирования протоколов маршрутизации с использо-ванием нечетких метрик;6.  Разработаны формализованные функциональные модели узлов, как  эле-ментов прикладных процессов: имитационные модели серверов и клиентов на основе сетей Петри;7.  Разработан новый гибридный метод, объединяющий нечеткое моделирова-

имитационные модели сервера приложений и клиентов как системы нечет-ких правил.8.  Разработан алгоритм для решения задачи генерации транспортной схемыВС, обеспечивающей успешное выполнение прикладных задач.Практическая ценность и внедрение результатовСозданная система автоматизированного проектирования вычислительных сетей используется на производстве и позволяет достичь улучшенных технико- экономических показателей объектов проектирования. Предлагаемый теорети- ческий подход, методы и средства автоматизированного проектирования были успешно применены в проектных работах, выполняемых предприятием ФНПЦ ОАО «НПО «МАРС» в интересах АСУ ВМФ РФ (Море-99, Мелодия, Запевала и др.). Созданная САПР ВС активно используется в производстве и позволяет эффективно перераспределять высокопроизводительный трафик путем приме- нения предлагаемого подхода и автоматической оптимизации, а так же сокра- щать время, затрачиваемое на проектирование вычислительных сетей.Практическая ценность состоит в том, что разработанные модели и алго-ритмы реализованы в форме программной системы и внедрены в деятельностьФГУП НПО "Марс" (г. Ульяновск). Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими документами о внедрении.Основания для выполнения работыДанная научная работа выполнялась в рамках тематического плана науч-ных исследований Федерального агентства по образованию в 2005, 2006, 2007,2008 г., была поддержана грантами РФФИ № 06-01-02012 и 06-01014087 в 2006г., № 08-01-97006 в 2008 г., ряд задач исследования решался в рамках х/д НИР№ 100/05, выполняемого Ульяновским государственным техническим универ-ситетом по заказу ФНПЦ ОАО «НПО МАРС»Достоверность результатов диссертационной работы.Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтвержде- на результатами экспериментов, а так же результатами использования материа- лов диссертации и разработанной системы в проектной организации.Апробация работы и публикацииОсновные положения и результаты диссертации докладывались, обсужда- лись  и получили одобрение на Международной конференции “Континуальные логико-алгебраические и нейросетевые методы в науке, технике и экономике” (г. Ульяновск, 2005 г., 2006 г.),  на Международной конференции “Интерактив- ные системы” (г. Ульяновск,  2005 г.),  на Научных сессиях МИФИ (г. Москва,

рованные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте". (г. Ко- ломна,  2007 г.), на Международной научно-технической конференции “Интел- лектуальные системы”, “Интеллектуальные САПР” (г. Дивноморское, 2006 г.,2007 г., 2008 г.), на Первой Всероссийской конференции «Нечеткие системы и мягкие вычисления » (г. Тверь 2006 г.), на Второй Всероссийской конференции«Нечеткие системы и мягкие вычисления » (г. Ульяновск, 2008 г.), на Нацио- нальных конференциях с международным участием по искусственному интел- лекту (г. Обнинск 2006 г., г. Дубна 2008 г.), на Всемирном конгрессе IFSA’07 (Мексика, г. Канкун, 2007 г.), на 34-ом международном салоне изобретений,новой техники и товаров "Женева-2006" (г. Женева, Швейцария, 2006 г.).Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений.В диссертации приведены 96 рисунков, 23 таблицы и 7 приложений.