Исследование и разработка методов и средств обоснования архитектуры информационных систем сетецентрического типа специального назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.13, кандидат технических наук Бородакий, Владимир Юрьевич

• Бородакий, Владимир Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бородакий, Владимир Юрьевич

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ задач построения систем сетецентрического типа специального назначения

1.1. Особенности архитектуры сетецентрической 15 системы специального назначения

1.2. Принципы построения 21 инфокоммуникационной среды

1.3. Обоснование выбора показателей качества 35 функционирования системы

1.4. Постановка задачи исследований

ГЛАВА 2. Разработка формальной модели сетевой инфраструктуры сетецентрической системы

2.1. Графовая модель и задача размещения 42 центров обработки данных

2.2. Алгоритм размещения центров обработки 45 данных

2.3. Постановка задачи оптимизации 64 обслуженной нагрузки абонентов

2.4. Выводы по главе

ГЛАВА 3. Методы анализа показателей качества сетецентрической системы

3.1. Вероятностная модель обслуживания трафика

3.2. Анализ модели отдельного звена сети

3.3. Обоснование метода расчета вероятностей 7 8 блокировок и величины обслуженной нагрузки

3.4. Выводы по главе

ГЛАВА 4. Методика практического использования методов и средств расчёта сетецентрических систем

4.1. Инструментальные программные средства

4.2. Методика сбора данных для вычислительного 99 эксперимента

4.3. Численный анализ параметров качества 106 сетецентрической системы

4.4. Выводы по главе 4 126 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Результаты расчета маршрутов и потоков на графе сетецентрической системы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов и средств обоснования архитектуры информационных систем сетецентрического типа специального назначения»

Актуальность темы

Современная концепция ведения военных действий базируется на новых технологиях, в первую очередь — на информационных технологиях, которые позволяют обеспечить максимально высокие показатели управления такие, как оперативность принятия решений и эффективность взаимодействия участвующих в военных действиях формирований. В рамках осуществления концепции «сетецентрической войны», развивается и соответствующая концепция построения центров обработки данных (ЦОД), как составной части АСУ специального назначения. По сути, данная концепция состоит в информационной интеграции всех участвующих в военных действиях подсистем (единые базы данных разведывательной информации, единые системы и инструментарии планирования операций и др.) на базе единой сети передачи данных.

Сетецентрическая концепция требует объединения всех современных разработок и методологий построения и проектирования распределённых систем, начиная от парадигм проектирования распределённого программного обеспечения (GRID, SOA и др.) и заканчивая использованием перспективных средств, отвечающих за передачу данных, базирующихся на технологии многопротокольной коммутации по меткам (MPLS). Существенно, что применение новой концепции порождает большой объем передаваемой информации, но при этом нерешенным остается вопрос с ограниченной пропускной способностью каналов передачи данных систем специального назначения, что существенно влияет на показатели качества функционирования системы в целом. Из опыта военных операций «Буря в пустыне» и «Свобода Ираку» известно, что из-за ограниченной пропускной способности сетевой инфраструктуры, МО США собственными средствами осуществляло передачу до 20% информации (обслуженная нагрузка), а остальные 80% информации (избыточная нагрузка) передавались через системы связи общего пользования, в которых также наблюдались сбои из-за перегрузок.

В диссертационной работе исследуются и разрабатываются методы и средства обоснования архитектуры информационных систем сетецентрического типа специального назначения. Решаются задачи размещения ЦОД в сецентрической системе (СС) специального назначения и оценки качества функционирования системы в условиях ограниченной пропускной способности каналов передачи данных.

Выше изложенные положения обосновывают актуальность темы диссертационной работы.

Таким образом, объектом исследования диссертационной работы является архитектура информационных систем сетецентрического типа специального назначения, построенная на базе ЦОД в составе оборудования телекоммуникационной сети с ограниченной пропускной способностью каналов передачи данных.

Основными формальными моделями сетецентрических систем являются модели теории графов и потоков в сетях, а для анализа показателей качества этих систем применяются модели теории телетрафика мультисервисных сетей. На данный момент существуют два больших класса моделей для исследования проблемы построения СС. Один класс относится к решению задач дискретной оптимизации размещения центров и покрытия множеств и имеет многочисленные приложения. Другой класс описывает вероятностные модели телекоммуникационных сетей, которые в современной терминологии принято называть мультисервисными моделями. Специфика построения СС требует применения моделей обоих типов, что требует проведения комплексных исследований для обеспечения большей адекватности и достоверности планируемых результатов.

Это позволило выбрать в качестве предмета исследования диссертационной работы методы и средства решения задачи размещения ЦОД в сети СС и анализа показателей качества ее функционирования.

Целью диссертационной работы является разработка моделей и методов, предназначенных для решения задачи размещения ЦОД на телекоммуникационной сети с ограниченной пропускной способностью. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены перечисленные ниже основные задачи.

1. Разработка формальной модели размещения ЦОД на графе сети СС и модели обслуживания трафика абонентов в условиях ограниченной пропускной способности звеньев сети.

2. Разработка методов для анализа показателей качества функционирования СС, включая построение и анализ вероятностной модели отдельного звена сети и метод расчета величины обслуженной системой нагрузки.

3. Разработка алгоритмов и инструментальных программных . средств для расчета структурных и нагрузочных параметров сетецентрической системы.

4. Разработка методики сбора исходных данных, расчета параметров сетевой инфраструктуры СС и показателей качества ее функционирования.

5. Организация и проведение вычислительного эксперимента для анализа структурных и нагрузочных параметров сетевой инфраструктуры СС.

Методы исследования. В работе использованы методы теории графов, теории оптимизации, теории алгоритмов, теории вероятностей и теории телетрафика, методы математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана модель СС в виде графа сети и сформулирована задача размещения центров обработки данных.

2. Исследован и модифицирован метод решения задачи размещения центров на графе сети СС в условиях ограничений на пропускные способности звеньев сети.

3. Построена вероятностная модель и разработаны методы анализа основных вероятностных характеристик сетецентрической системы - вероятности блокировки запросов абонентов и величины обслуженной сетью нагрузки.

4. Разработаны алгоритмы, инструментальные программные средства и методика для сбора данных, расчета структурных и нагрузочных параметров СС.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждена вычислительным экспериментом и практической реализацией разработанных методов на телекоммуникационной сети специального назначения.

Практическая ценность работы. Математические модели, методы, вычислительные алгоритмы и программное обеспечение, разработанные в диссертационной работе, предназначены для расчета и анализа структурных и нагрузочных параметров сетецентрической системы при решении задачи размещения узлов АСУ специального назначения на сети с каналами с ограниченной пропускной способностью. Результаты работы могут быть использованы при проектировании СС специального назначения для обоснованного выбора структурных параметров и прогнозной оценки качества функционирования.

Реализация результатов работы. Работа проводилась в рамках ОКР «Акация-М» и ОКР «Наработка», выполняемых в соответствии с планами ФГУП «Концерн «СИСТЕМПРОМ». Реализация результатов работы подтверждена актами о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на:

- VIII всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (Тамбов, 2006 г.);

- IX Международной конференции «Интеллектуальные системы и компьютерные науки» механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2006 г.);

- V Всероссийской научной конференции «Проблемы развития системы специальной связи и специального информационного обеспечения государственного управления России» (Орёл, 2007 г.);

- XXXVIII военно-научной конференции «Проблемы развития информационных технологий в системе ВКО РФ»(Тверь, 2009 г.);

- научной сессии МИФИ «Информатика и процессы управления. Компьютерные системы и технологии» (Москва, 2006, 2007, 2008 г.г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 7 - в трудах всероссийских и международных конференций и 2 статьи — в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных положений диссертационных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 115 наименований, 2-х приложений. Основной текст диссертации содержит 140 страниц текста, 41 рисунок (из них 16 графиков), 24 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Телекоммуникационные системы и компьютерные сети», Бородакий, Владимир Юрьевич

Выход

Рис. 4.6. Окно результатов маршрутизации и распределения потоков по звеньям сети

Разработка программных модулей работы с графами

Разработанная формальная модель сетецентрических систем, является графовой моделью, также как и разработанные алгоритмы расчета сетецентрических систем и оценки качества получаемых решений.

Следовательно, ключевую роль в реализации разработанных алгоритмов играет реализация методов работы с графами и сами методы.

В настоящее время существует ряд готовых программных реализаций библиотек работы с графами, среди них можно упомянуть:

- LEDA (Library of Efficient Data Types and Algorithms);

- GTL (Graph Template Library, University of Passau);

- AGraph.

Данные программные продукты реализуют не только хранение и представление графов в виде узлов, ребер и свойств, но также и достаточно большое количество алгоритмов решения теоретико-графовых задач. Например таких, как поиск минимального маршрута (исходя из количества промежуточных вершин или стоимости ребер маршрута), определение связности графов и их компонент связности, нахождение матриц достижимости, построение реберного графа, поиск максимального потока в транспортных сетях и многих других. Однако, анализ разработанных в диссертационной работе потоковых алгоритмов показывает, что их эффективная реализация требует модификацию и комбинацию известных алгоритмов. Таким образом, принято решение о реализации используемых алгоритмов, с нуля вместе с представлением графов. Известно [36], что графы представимы в 2-х видах, в виде: списки смежных вершин, матрица смежности

Списки смежных вершин, представляют собой любую списочную структуру (с произвольным доступом по вершине), в которой хранятся вершины смежные с вершиной ключом. Для экономии памяти, естественно организовать хранение вершин в динамической памяти, а в списках смежности использовать только указатели на вершины. При небольшом усложнении вида элементов списка, можно добиться хранения различных атрибутов связи с вершинами, например весов и т.д. является невозможность быстрого определения наличия ребра в списке смежности (в то время как матрица смежности требует большего количества используемой памяти в случае неплотных графов). Однако, этот недостаток можно разрешить, используя структуры данных для представления списков с произвольным доступом (вектора, хеш-таблицы, деревья). Таким образом, применение конкретного способа представления графов обусловлено в первую очередь удобством их использования при реализации алгоритмов на графах. В диссертационной работе используется представление графов в виде списка смежности.

Разработка эффективной программной реализации алгоритмов решения задач расчета сетецентрической системы

Эффективная реализация программных средств зависит от выбранных структур хранения данных и операций над ними, организации и взаимодействия программного кода, языкового средства реализации программного продукта.

В качестве языкового средства был выбран язык С++ как язык полностью поддерживающий парадигму объектно-оринтированного программирования. Разработка велась в среде разработки MS Visual Studio 2003 с применением библиотеки QT 3.3.4.

Для данных с произвольным доступом в качестве структуры хранения данных выбрана структура «сбалансированное дерево». Известно [23], что дерево дает временную сложность операций вставки и поиска равную <3(log2iV), где N - количество элементов в дереве.

Разработанное программное средство для расчета структурных параметров и потоковой оценки качества решения содержит порядка 6000 строк не сгенерированного автоматически кода.

СС представленной на рис. 2.5 с применением разработанного инструментального программного средства.

Здесь показаны 2 размещенных ЦОД'а в узлах {jc18,x19j. Показаны распределенные потоки информации по дугам графа. Дуги, на которых поток превышает половину пропускной способности дуги, выделены цветом.

Рис. 4.7. Результат расчета задачи (2, 0.001)-размещения для СС, показанной на рис. 2.5

Детальные результаты маршрутизации для данной системы показаны на рис. 4.8. Здесь показаны полученные маршруты для каждого абонентского узла с величиной распределенного потока на них, также указано распределение потока на дугах в зависимости от источника этого потока (абонентского узла).

13 Результаты расчёта Щ ЩЩ/Шflfl Ш Я

Распределение серверов 'аспределение потоков I

Фильтры отображения С показывать всё С только потоки от аб. узлов С только репликация

Сохранить результаты | [Загрузить результаты]

Трасса для абонентского узлах 1 . Общий поток = 1460 МАХ время = 0.00205208 Поток = 1460Время:0.000875 Трасса: х2->хЗ->х1&-> Трасса для абонентского узлахЭ . Общий поток = 5200 МАХ время = 0.000531741 Поток = 800Время:0.000436988. Трасса. х8-ж7->хЗ->х18-> Поток = 3400Время .0.00025035. Трасса: х8->хЗ->х18-> Поток = 1000Время:0.000414651. Трасса:х8-ж7->х4-ж1Э-> Трасса для абонентского узлахЮ . Общий поток = 2500 МАХ время = 0.000407998 Поток = 2400Время О 000252923 Трасса: х8->хЗ-ж18-> Поток = 100Время:0.000407Э98. Трасса: х8-йс7-ж4-ж19-> Трасса для абонентского узлахб . Общий поток = 1500 МАХ время = 0.00204878 Поток = 1500Время:0.000875. Трасса: х5->х4-»с19-> Трасса для абонентского узлах12 . Общий поток = 1800 МАХ время = 0.00232096 Поток = 200Время:0.00133502. Трасса :х11-:чс7->хЗ->х18-> Поток = 1000Время:0.00087535. Трасса: х11-йс4-йс19-> Поток = бООВремя :0.00120698. Трасса: х11 >х7->х4»х19-> Трасса для абонентского узлах13. Общий поток = 1300 МАХ время = 0.00182632 Поток = 400Время Ю.00110376. Трасса: х11 ->х7->хЗ->х18-> Поток = бООВремя Л.000913585. Трасса :х11->х4->*19-> Поток = ЗООВоемя :0.00101886. Трасса: х11->х7->х4->х19-> ж х1 j х9 х10 хб х12 fx1*2) 1460 fcc9*8) 5200 fcWxQ 2500 —

I (х6д5) 1500 x12jc11) х13х11) (х2хЗ) 1460 x5jc4) 1500 zJ

Выход

Рис. 4.8. Результаты маршрутизации для задачи (2, 0.001)-размещения для

СС, показанной на рис. 2.5

4.2. Методика сбора исходных данных для вычислительного эксперимента

Для расчета и синтеза СС и анализа качества полученного решения необходимо собрать данные о структуре передающей сети, абонентских узлах, интенсивности потока запросов и т.д. Получение подобных данных обычно сопряжено с определенными трудностями, связанными с невозможностью точного прогнозирования нагрузочных параметров системы, отсутствием регламента сбора полной информации о передаваемых потоках данных, «размазанностью» информации мониторинга системы по компонентам, возможной секретностью состава и характеристик используемых компонент в средствах КСА. Одним из вариантов получения исходной информации является обработка протоколов работы системы за наблюдаемый период времени. Отметим, что подобные подробные протоколы собираются, в частности, при проведении КШУ для фиксации всех действий АСУ СН и возникающих нештатных ситуациях с последующим разбором ситуации. Перед тем как, описать методику сбора исходной информации, напомним требуемые для проведения расчетов исходные данные:

- множество абонентских узлов Ts;

- множество передающих узлов TR;

- множество узлов кандидатов на размещение ЦОД Тс;

- множество каналов связи между узлами %;

-пропускная способность каналов связи между узлами

- параметр коэффициент покрытия к для каждого абонентского узла;

- параметр размещения г, связанный с директивным временем передачи блока данных минимального размера при условии свободной сети передачи данных т;

- размеры передаваемых блоков данных между узлами вк;

- интенсивности передачи блоков данных Лк;

- потоки данных (рк.

Анализ протоколов проведения КШУ показал, что последние составляются на выбранное время наблюдения и содержат абсолютные рабочие показатели. Иными словами, протоколы представляют собой сводные таблицы, содержащие для каждого из абонентского узла (в введенных терминах сетецентрических систем) сведения о передаваемых данных, в объеме: номенклатура, размер, количество посылок. Исходя из данных сведений, можно естественным образом получить часть требуемых сведений, другую часть можно получить путем определенных преобразований над данными протокола. Параметры тик задаются, исходя из требуемых свойств разрабатываемой системы, и определяются исходя из нормативных документов. Единственными данными, не поддающимися описанию и определению из протоколов, являются: множества передающих узлов TR; связность передающих узлов.

Подобная ситуация складывается из-за того что структура передаточной сети обычно скрыта от пользователей подобных сетей. Выходом из подобной ситуации может быть привлечение экспертного мнения, т.е. проведение сбора и анализа данных методом экспертных оценок.

Покажем этапы определения исходных данных на примере реального протокола КШУ АСУ СН без раскрытия состава средств КСА и их номенклатур.

Пример сбора исходных данных

Рассмотренный протокол был составлен для 7-ми часового интервала работы системы, показал наличие 6-ти абонентских узлов со своими сводными таблицами обмена данными (см. табл. 4.1). Таким образом, множество абонентских узлов имеет вид: Ts ={ab],ab2,ab3,ab4,ab5,ab6) .

Емкости (пропускные способности) звеньев сети имеют следующие значения:

- 9.6 кбит/с на направление узлов ab3, ab4 (получено из протокола);

-2.4 кбит/с на направление узлов ab15 ab2, ab5, ab6 (получено из протокола);

9.6 кбит/с на внутреннюю передаточную сеть (x,y)eVRxYR получено путем экспертного опроса).

Так как рассматриваемая система не была построена по сетецентрической концепции, то в спецификации, а следовательно, и в протоколе отсутствует понятие коэффициента покрытия и директивного времени передачи данных. Поэтому были взяты некие правдоподобные значения, а именно: к = 2 и г = 90 сек.