Разработка методики выбора структуры корпоративной информационно-вычислительной сети тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.13, кандидат технических наук Зарвигоров, Дмитрий Андреевич

• Зарвигоров, Дмитрий Андреевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зарвигоров, Дмитрий Андреевич

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОРПОРАТИВНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ.

1.1 Особенности корпоративных сетей.

1.1.1 Определение и классификация корпоративных сетей.

1.1.2 Состав и эволюция корпоративных сетей.

1.2 Анализ и оценка существующих подходов к проектированию корпоративных информационно-вычислительных сетей.

1.2.1 Обзор информационных источников.

1.2.2 Существующие методики проектирования КИВС.

1.3 Постановка задачи создания методики выбора структуры КИВС на начальных этапах проектирования.

1.3.1 Выбор критерия оптимальности.

1.3.2 Область исследований.

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ НЕКОТОРЫХ ПОДСИСТЕМ КОРПОРАТИВНЫХ СЕТЕЙ, СТАНДАРТЫ.

2.1 Стандарты компьютерных сетей.

2.2 Модульный дизайн кампусных сетей.

2.3 Структурированная кабельная система (CKC).

2.4 Логическая структура кампусной сети.

2.5 Способы соединения активного сетевого оборудования.

2.6 Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ВЫБОРА СТРУКТУРЫ КИВС.

3.1 Общее описание методики выбора структуры КИВС.

3.1.2 Особенности процедуры иерархической декомпозиции.

3.1.2 Особенности системы иерархических взаимосвязанных моделей подсетей.

3.1.3 Последовательность действий методики.

3.2 Построение информационной модели организации.

3.2.1 Последовательность построения информационной модели.

3.2.2 Описание действий алгоритма.

3.4 Метод использования средств имитационного моделирования.

3.4.1 Идеология создания модели малой КИВС в системе Comnet 3.

3.4.2 Формирование данных для моделирования, переход к стохастическим параметрам трафика.

3.4.3 Выбор логической структуры кампусной сети с использованием средств имитационного моделирования.

3.5 Подход к построению математических моделей подсетей.

3.6 Выбор лучшей структуры подсети отдела.

3.6.1 Обобщенный алгоритм выбора структуры подсети отдела.

3.6.2 Модель и задача выбора наилучшей структуры подсети отдела.

3.6.3 Разработка ПО для решения задачи выбора структуры подсети отдела.

3.7 Выбор лучшей структуры подсети департамента.

3.7.1 Алгоритм выбора лучшей структуры подсети департамента.

3.7.2 Модель и задача выбора наилучшей структуры подсети департамента (кампусной сети).

3.7.3 Разработка ПО для решения задачи выбора структуры подсети департамента.

3.8 Выводы.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ.

4.1. Метод оценки точности.

4.1.1. Набор тестовых конфигураг^ий КИВС.

4.2. ПО расчета структуры КИВС методом последовательного перебора

4.3. Анализ полученных результатов.

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ МОДЕРНИЗАЦИИ КИВС ОЦВ ВНИИ ЖТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ.

5.1. Описание КИВС ОЦВ ВНИИ ЖТ, исходные данные.

5.2. Анализ исходной структуры КИВС ОЦВ ВНИИ ЖТ.

5.3. Выбор лучшей структуры КИВС ОЦВ ВНИИ ЖТ.

5.3.1. Построение информационной модели.

5.3.2. Выбор структуры подсетей КИВС ОЦВ уровня отдела.

5.3.3. Определение логической структуры КИВС ОЦВ ВНИИ ЖТ.

5.3.4. Выбор структуры подсети КИВС ОЦВ уровня департамента.

5.4. Оценка качества модернизированной структуры КИВС ОЦВ.

5.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики выбора структуры корпоративной информационно-вычислительной сети»

Актуальность темы исследования

В настоящее время выбор структуры корпоративных информационно-вычислительных сетей (КИВС) чаще всего осуществляется импирическим путем. Как правило, это делают специалисты, основываясь на собственном опыте. Таким образом, процесс проектирования КИВС субъективен и зависит от конкретного человека (или фирмы, осуществляющей проектирование). На начальном этапе, когда число КИВС было невелико, такой подход к проектированию был приемлем. Стремительное развитие информационных технологий, их активное внедрение в производство и бизнес привело к резкому увеличению спроса на корпоративные вычислительные сети. Кроме того, назрела необходимость оценки качества и модернизации большого количества КИВС, спроектированных и введенных в эксплуатацию в 90-х годах XX века. Появились компании осуществляющие проектирование, монтаж и техническое сопровождение КИВС. Методики и алгоритмы проектирования в таких компаниях являются основным производственным средством (ноу-хау) и составляют коммерческую тайну. Из-за этого они недоступны для широкого круга специалистов, нельзя оценить их достоинства и недостатки, вносить изменения, направленные на улучшение качества методик и алгоритмов проектирования. Отсутствие общедоступных методик и алгоритмов выбора структур КИВС негативно сказывается на развитии данной области IT. Наличие общедоступных методик и алгоритмов выбора структур КИВС сделают эту область открытой для более широкого круга специалистов, ускорит темп её развития.

Научные исследования и разработки, посвященные данной проблемной области, сделанные как несколько десятилетий назад, так и современные обладают рядом существенных недостатков, основными из которых являются: синтез структуры КИВС без тщательного анализа потребностей организации в информационном обмене, без учета структуры и параметров информационного взаимодействия внутри организации; использование при расчете и оптимизации сетевой инфраструктуры низкоэффективных алгоритмов, делающими практически невозможным получение решений с удовлетворительной точностью за приемлемое время даже на современных вычислительных машинах [30], [41], [43]; несоответствие получаемых проектам сетей требованиям современных стандартов [34], что существенно снижает их практическую ценность. Такие недостатки присущи большей части работ, за исключением лишь некоторых, например, посвященных проектированию региональных сетей [2].

Анализ проектных процедур показывает, что наиболее сложными и трудоемкими являются начальные этапы проектирования КИВС, поскольку именно на этих этапах принимаются решения, оказывающие влияние на качество всей сети. Ошибки, допущенные на начальных этапах проектирования, в конечном счете, приводят к необходимости переделки всего проекта, а значит к значительным материальным убыткам. Поэтому представляется актуальным разработка эффективной методики, в рамках которой осуществляется формализация, алгоритмизация и автоматизация решения задач выбора структуры КИВС на начальных этапах проктирования.

Несмотря на относительную молодость этой области IT, на некоторые ее компоненты введены международные стандарты. Кроме того, существует довольно обширный опыт и наработки в сфере проектирования вычислительных сетей (ВС), накопленный ведущими компаниями производителями оборудования для компьютерных сетей, таких как Cisco, 3Com и д.р. Поэтому, для повышения практической значимости и легкой реализации разработанного проекта сети на практике, выбор структуры КИВС в рамках разрабатываемой методики в обязательном порядке должен вестись в соответствии с международными стандартами в области компьютерных сетей, а также учитывать опыт ведущих компаний.

Алгоритмы, реализующие выбор наилучшей структуры КИВС должны позволять получать решения за приемлемое время. Особое внимание стоит уделить анализу бизнес процессов организации с последующей формализации их в информационной модели, которая должна использоваться в качестве главного источника данных при проектирования КИВС. Цель работы

Целью диссертации является разработка методики выбора структуры КИВС на начальных этапах проектирования, позволяющей осуществлять синтез структуры сети с минимизированной стоимостью.

Достижение поставленной цели предполагает решение в диссертационной работе следующих основных задач:

• разработку метода построения информационной модели организации, расчета параметров информационного взаимодействия её структурных элементов (СЭ) с использованием процедуры иерархической декомпозиции и анализа бизнес процессов;

• исследование и разработку метода использования средств имитационного моделирования для получения параметров работы проектируемой КИВС, разработка принципов формирования исходных данных для имитационных моделей КИВС;

• разработку методики выбора структуры КИВС на начальных этапах проектирования, основанной на системе взаимосвязанных иерархических моделей подсетей, обеспечивающей синтез структуры сети с наименьшей стоимостью;

• разработку способа оценки точности методики выбора структуры КИВС;

• разработку инструментального программного обеспечения (ПО) для автоматизации решения задачи получения наилучшей структуры КИВС и оценки точности разработанной методики.

Методы исследования

Для решения поставленных задач применялись методы теории графов, математической логики, теории множеств, теории вероятностей и математической статистики, математического программирования, имитационного моделирования, современные методологии программирования, CASE технологии.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• разработан метод построения информационной модели организации, расчета параметров информационного взаимодействия её СЭ с использованием процедуры иерархической декомпозиции;

• предложен метод использования средств имитационного моделирования для получения параметров работы КИВС, а также принципы формирования исходных данных для имитационных моделей КИВС;

• разработана методика выбора структуры КИВС на начальных этапах, основанная на системе взаимосвязанных иерархических оптимизационных моделей подсетей, обеспечивающая синтез структуры сети с минимизированной стоимостью, проведена оценка её точности;

• разработана система взаимосвязанных иерархических моделей подсетей, произведена формализация задачи выбора наилучшей структуры сети, разработано ПО, автоматизирующее решение задачи выбора наилучшей структуры сети.

Практическая значимость

Предлагаемая в диссертационной работе методика выбора структуры КИВС позволяет синтезировать минимизированную по стоимости структуру сети, удовлетворяющую потребностям организации в информационном обмене, созданную с использованием современных технологий построения и управления компьютерными сетями и- учетом опыта ведущих компаний производителей сетевого оборудования, отвечающую требованиям международных стандартов. Особенности методики позволяют без дополнительной адаптации реализовывать разработанные проекты на практике. Кроме того, учет опыта ведущих компаний и стандартов позволяет значительно улучшить качественные показатели проектируемых сетей (стоимость эксплуатации, надежность, масштабируемость, управляемость и др.). Кроме того, при помощи данной методики можно проводить анализ и оценку уже существующих КИВС, разрабатывать ряд проектов модернизации с различной стоимостью работ, а также оценивать эффективность предложенных решений. Практическая ценность методики подтверждена при её использовании для анализа и модернизации сегментов КИВС Отраслевого центра внедрения Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ОЦВ ВНИИ ЖТ), модели и алгоритмы, частично реализованные в виде программ, используются в производственных процессах ЗАО «АСТ» (см. приложение И). Достоверность

Достоверность полученных результатов основана на, использовании современных технологий построения и управления компьютерными сетями, учете требований международных стандартов, обобщении опыта и наработок ведущих компаний производителей сетевого оборудования применении адекватных моделей КИВС, практической реализации и апробации работы. Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Информационные средства и технологии» 18-20 октября 2005 г. и 17-19 октября 2006 г. Москва МЭИ (ТУ). Публикация результатов работы

1. Данилин Г.Г., Зарвигоров Д.А. Обзор подходов и методологий проектирования корпоративных сетей// Труды международной технической конференции «Информационные средства и технологии». - М.: Янус-К, 2005;

2. Данилин Г.Г., Зарвигоров Д.А. Построение корпоративных сетей на основе взаимодействия иерархических моделей// Труды международной технической конференции «Информационные средства и технологии». -М.: Янус-К, 2006;

3. Данилин Г.Г., Зарвигоров Д.А. Оценка качества структур кампусных вычислительных сетей// Вестник МЭИ, №2, 2008.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 52 наименований и приложений. Работа содержит 152 страниц машинописного текста содержательной части, 60 рисунков, 22 таблиц и 5 страниц библиографии. Положения, выносимые на защиту

Заключение диссертации по теме «Телекоммуникационные системы и компьютерные сети», Зарвигоров, Дмитрий Андреевич

5.5. Выводы

В главе 5 рассмотрено использование разработанной методики для оценки и модернизации сегментов КИВС ОЦВ ВНИИ ЖТ. Использование методики позволило:

• С использованием средств имитационного моделирования достоверно оценить исходную структуру КИВС ОЦВ ВНИИ ЖТ, а также получить параметры работы КИВС с модернизированной структурой: ожидаемое снижение по сравнению и исходной структурой коэффициента загрузки КС уровней доступа, распределения, ядра в среднем на 20%, 15% и 40% соответственно;

• В рамках создания информационной модели получить картину и параметры информационного взаимодействия между структурными элементами отраслевого центра внедрения. Использование этих данных при выборе лучшей структуры сети, конфигурировании VLAN обеспечило соответствие структуры КИВС нуждам ОЦВ в информационном обмене;

• Выбрать структуры ОЦВ ВНИИ ЖТ, обладающую минимизированной стоимостью в 1223746 ± 36712 руб., соответствующую требованиям международных стандартов.

Все эти показатели и особенности позволяют говорить об эффективности модернизированной структуры и о повышении качества КИВС ОЦВ ВНИИ ЖТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследований, выполненных в рамках диссертационной работы, получены следующие основные теоретические и практические результаты:

• Определена специфика и сделана классификация КИВС. На основе анализа как современных, так и более ранних походов и методик к проектированию больших гетерогенных ВС сделан вывод о том, что проекты сетей, созданные с их использованием, обладают низким качеством и в массе своей не соответствуют требованиям международных стандартов, что значительно снижает их практическую ценность. Обоснована актуальность разработки высокоэффективной методики выбора структуры малой КИВС на начальных этапах, в моделях и алгоритмах которой интегрированы требования международных стандартов, а также опыт ведущих компаний производителей активного сетевого оборудования;

• Разработан метод создания информационной модели организации и расчета параметров информационного взаимодействия между СЭ, позволяющий формализовать большинство требований к КИВС и сформировать данные для выбора лучшей структуры КИВС, обладающей минимизированной стоимостью;

• Разработан метод использования средств имитационного моделирования и формирования данных для имитационных моделей, позволяющий получать достоверные параметры работы КИВС;

• Разработана методика выбора структуры малых КИВС на начальных этапах проектирования, основанная на процедуре иерархической декомпозиции, анализе бизнес процессов, системе иерархических взаимосвязанных моделей подсетей, в которых интегрированы требования международных стандартов, опыт и идеология построения сетей от ведущих компаний производителей сетевого оборудования;

• Предложен способ оценки точности методики выбора структуры КИВС, основанный на сравнении точных решений, полученных методом последовательного перебора всех возможных структур КИВС и результатов, полученных при помощи методики. Данный способ позволил установить погрешность методики равной 3% и доказать, что такая величина погрешности действительна для малых КИВС различных размерностей;

• На основе моделей и алгоритмов методики было создано следующие инструментальное ПО: ПО, автоматизирующее решение задач выбора наилучшей структуры КИВС; программа, позволяющая получать точное решение методом последовательного перебора и анализа всех возможных вариантов структур КИВС;

• Выполнено внедрение разработанной методики в производственные процессы ЗАО «АСТ». По результатам внедрения сделан вывод о снижении трудозатрат на процесс проектирования КИВС, расширении возможностей анализа и оценки уже существующих КИВС, а также о повышении качества проектов корпоративных сетей. Разработанная методика использовалась для оценки качества и разработки проекта модернизации сегментов КИВС ОЦВ ВНИИЖТ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зарвигоров, Дмитрий Андреевич, 2008 год

1. Абросимов Л.И. Анализ и проектирование вычислительных сетей. Учебноле пособие. - М.: Изд-во МЭИ, 2000. - 52 с.

2. Абросимов Л.И. Расчет характериститк вычислительных систем сложной конфигурации с помощью контуров// Изд. АН СССР. Серия техническая кибернетика. 1980, № 5.

3. Альянах И.Н. Моделирование вычислительных систем. — Л.: Машиностраеие, 1988. -223 с.

4. Архангельский А.Я. Программирование в Delphi 7. М.: Бином, 2003. -1172 с.

5. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978. - 400 с.

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

7. Вишневский В.М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. М.: Техносвера, 2003. - 512 с.

8. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистка. М.: Высшая школа, 2003 - 479 с.

9. Ю.Данилин Г.Г., Зарвигоров Д. А. Обзор подходов и методологий проектирования корпоративных сетей// Труды международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии М.: Янус-К, 2006. 224 с.

10. П.Данилин Г.Г., Зарвигоров Д.А. Оценка качества моделей структур кампусных вычислительных сетей// Вестник МЭИ. 2008. № 2.

11. Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями: Пер. с англ. М.: Мир, 1979.-600 с.

12. Клещев Н.Т., Роганов А.А. Проектирование информационных систем под общей редакцией Курбанова К.И. М.: Изд-во Российской экономической академии, 2000. - 386 с.

13. Климанов В.П. Методология анализа вероятностно-временных характеристик локальных вычислительных сетей составных топологий на основе аналитического моделирования/ МЭИII Диссертация на соискание доктора технических наук. М. 1995. - 389 с.

14. Климанов В.П. Методы разработки аналитических моделей ля анализа локальных вычислительных сетей, использующихся в управлении технологическими процессами. — М.: Изд-во МЭИ, 1995. — 115 с.

15. Климанов В.П., Денисов Е.А. Расчет характеристик надежности вычислительных сетей с резервными элементами. Доклады международной конференции «Информационные средства и технологии»: том 1. 1999

16. Кульгин М.В. Практика построения компьютерных сетей — Спб.: Питер, 2001.-220 с.

17. Кульгин М.В. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия. Спб.: Питер, 2000. - 704 с.

18. Мину М. Математическое программирование. Теория и алгоритмы: Пер. с фр. М.: Наука, 1990. - 488 с.

19. Митрофанов Ю.И., Беляков В.Г., Метод декомпозиции при моделировании вычислительных структур// Вопросы кибернетики. Научный совет по комплексной проблеме «Кибернетика» АН СССР. М.: Радио и связь, 1986. -408 с.

20. Олифер Н.А. Агрегирование анналов в локальных сетях. LAN// Журнал сетевых решений. - 2002. №3.

21. Поляк Б.Г. Введение в оптимизацию. М.: Наука, 1983. - 384 с. (25)

22. Прайс-лист-каталог компании D-Link// D-Link catalogue, 2007.

23. Пятаев О.В. Применение генетического алгоритма для оптимизации структуры кампусной сети// Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства: Межвузовский тематический сборник научных трудов, 2000.

24. Пятаев О.В., Семашко А.В. Математическое представление задачи оптимизации структуры кампусной сети// Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства: Межвузовский тематический сборник научных трудов, 2000 440 с.

25. Семенов А.Б., Стрижаков С.К., Сунчелей И.Р. Структурированные кабельные системы. Стандарты, компоненты, проектирование. — М.: Лайт ЛТД ,2003.-608 с.

26. Смирнов Э.А. Теория организации. М.: Инфра-М, 2005. 250 с.

27. Солодовников А.Ю. Разработка и исследование методов применения систем поддержки принятия решений на основе нечетких моделей в задачах проектирования информационно-вычислительных сетей: Диссертация кандидата технических наук. М.2006. - 389 с.

28. Стивен Браун. Виртуальные чанные сети. М.: Лори, 2001. - 273 с.

29. Таненнбаум Э.К. Компьютерные сети. Спб.: Питер, 2004. - 848 с.

30. Хэдли Дж. Динамическое программирование: Пер. с англ. М.^Мир, 1968. -540 с.

31. Шеметов П.В. Теория организации. Курс лекций. М.: Инфра-М, 2004. -278 с.

32. Щербо В.К. стандарты вычислительных сетей. Взаимосвязи сетей. Справочник. М.: Кудиц-образ, 2000. - 756 с.

33. Янбых Г.Ф., Столяров Б.А. Оптимизация информационно-вычислительных сетей. М.: Радио и связь, 1987. - 232 с.

34. Berril L., Murtagh В., McMahon G. Optimization models for communication network design. Proceedings for the fourth international meeting decision sciences institute. Sydney, Australia, 1997.

35. Castillo L., Gonzales A. Distribution network optimization: Finding the most economic solution by using genetic algorithms// European journal of operational research, 1996.

36. Falkner M. COMNET 3 reference guide. CACI press, 2001. - 764 p.

37. Gerla M., Frank H., Chou W., Eckl J. A Cut saturation algorithm for topological design of packet-switched communications network// Proceedings of IEEE National telecommunication conference, San Diego, California. 1984.

38. James J. LAN baseline Architecture brunch office network. Reference design guide. Cisco press, 2006 460 p.

39. Jane M., Dovrolis C. End-to-End available bandwidth: Measurment technology// In Proc. ACM Sigcom, 2000.

40. Lamle T. Cisco Certified Network Associate. Study guide. Second edition. Cisco press, 2000. 536 p.49.0dom W. Virtual LANs. Cisco press, 2001.-165 p.

41. TIA/EIA-568B. Commercial buildings telecommunication cabling standart. Parti:General requirements, 2001. 79 p.

42. TIA/EIA-TSB 72. Centralized optical fiber cabling guidelines, 1995. 57 p.

43. TIA/EIA-TSB 75. Additional horizontal cabling practices for open offices, 1996. -36 p.