|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Материалы по теме выпускной работы:
Автобиография |
Автореферат |
Библиотека |
Ссылки |
Отчет о поиске |
Индивидуальный раздел
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Автореферат
квалификационной работы магистра «Разработка моделей и программных средств для анализа работы Интернет-узлов»
Научный руководитель: к. т. н., доцент, проф. Лаздынь Сергей Владимирович Донецкий Национальный Технический Университет доцент кафедры «Автоматизированные системы управления» 1. Введение 2. Актуальность темы 3. Связь работы с научными программами, планами, темами 4. Цель и задачи разработки и исследования 4.1. Цель работы 4.2. Идея работы 4.3. Основные задачи разработки и исследований 4.4. Предмет разработки и исследований 4.5. Объект разработки и исследований 4.6. Методология и методы исследований 5. Предполагаемая научная новизна 6. Практическое значение полученных результатов 7. Апробация работы 8. Обзор исследований и разработок по теме 8.1. На локальном уровне 8.2. На национальном уровне 8.3. На глобальном уровне 9. Основное содержание работы 10. Выводы 11. Список литературы
1. Введение
В последнее время эффективность построения и использования корпоративных информационных систем моделирования стала чрезвычайно актуальной задачей, особенно в условиях недостаточного финансирования информационных технологий на предприятиях. Использование высокоуровневого моделирования позволяет гарантировать полноту и правильность выполнения информационной системой функций, определенных заказчиком. То есть построенная модель безупречна по функциональности. Моделирование как метод исследования используется на всех этапах работы с вычислительной системой – от этапа проектирования до этапа эксплуатации. Поэтому проблема моделирования вычислительных систем, в частности вычислительных сетей, имеет в настоящее время большую актуальность[1]. Моделирование представляет собой мощный метод научного познания, при использовании которого исследуемый объект заменяется более простым объектом, называемым моделью. Математическая модель представляет собой совокупность соотношений (формул, уравнений, неравенств, логических условий), определяющих процесс изменения состояния системы в зависимости от ее параметров, входных сигналов, начальных условий и времени. В настоящее время над вопросом моделирования Интернет-узлов работают крупнейшие корпорации, которые стремятся создать полнофункциональную и достоверную систему[2]. Среди самых заметных разработок, можно выделить:
2. Актуальность темы Ни один проект крупной сети со сложной топологией в настоящее время не обходится без исчерпывающего моделирования будущей сети. Программы, выполняющие эту задачу, достаточно сложны и дороги. Целью моделирования является определение оптимальной топологии, адекватный выбор сетевого оборудования, определение рабочих характеристик сети и возможных этапов будущего развития. Ведь сеть, слишком точно оптимизированная для решений задач текущего момента, может потребовать серьезных переделок в будущем. На модели можно опробовать влияние всплесков широковещательных запросов или реализовать режим коллапса, что вряд ли кто-то может себе позволить в работающей сети. Результаты моделирования должны иметь точность 5-10%. Следует иметь в виду, что для моделирования поведения реальной сети, надо знать все ее рабочие параметры: длины кабеля от концентратора до конкретной ЭВМ, задержки используемых кабелей, задержки концентраторов. Параметры могут быть определены и прямым измерением. Чем точнее получиться воспроизвести поведение сети, тем больше машинного времени это потребует. Кроме того, предстоит сделать некоторые предположения относительно распределения загрузки для конкретных ЭВМ и других сетевых элементов, задержек в переключателях, мостах, времени обработки запросов в серверах. Здесь нужно учитывать и характер решаемых на ЭВМ задач. Определенное влияние на результат могут оказывать и используемые ОС серверов и клиентов. В случае моделирования реальной сети можно произвести соответствующие измерения, что иногда тоже не слишком просто[3]. Таким образом, можно сказать, что моделирование работы Интернет-узла – это неотъемлемая часть работ по созданию нового или реконструкции старого интернет-провайдера или любого другого крупного участка сети. Без модели будущей системы и характеристик её работы нельзя сделать заключение о её эффективности, рентабельности и конкурентоспособности. 3. Связь работы с научными программами, планами, темами Квалификационная работа магистра выполнялась на протяжении 2008–2009 гг. в соответствии с научными направлениями кафедры Автоматизированных систем управления Донецкого национального технического университета. Работа связана с научной программой по оптимизации работы информационных систем и моделированию работы сетей и оборудования Интернет-провайдеров и крупных улов обмена трафиком. 4. Цель и задачи разработки и исследования 4.1. Цель работы Целью создания системы моделирования работы и анализа Интернет-узлов является создание комплекса программных средств, позволяющих смоделировать работу крупной сети и проанализировать результаты её работы на стадии проектирования до построения физической модели или системы в целом. Разрабатываемая система для моделирования Интернет-узлов должна позволять:
4.2. Идея работы Идея работы заключается в том, чтобы создать систему, которая позволит проектировать и моделировать работу Интернет-узла или участка информационной сети до момента физического построения узла. Это позволит сохранить огромное количество времени и денежных средств при создании ошибочных, неточных, малоэффективных или несоответствующих требованиям заказчика результатам внедрения. При этом мы получим: объективную оценку решения и технико-экономическое обоснование; гарантированные требуемую производительность и запас по производительности; обоснованные и управляемые решения по поэтапной модернизации. 4.3. Основные задачи разработки и исследований Основной задачей в данной работе является создание программной модели Интренет-узла, которая с достаточной степень достоверности должна отражать следующие параметры:
4.4. Предмет разработки и исследований Предметом исследования является компьютерная подсистема моделирования работы Интернет-узлов, которая позволит получать данные о качестве и работоспособности проектируемого узла и его основных параметрах. Благодаря предварительно разработанным и проанализированным моделям, можно будет строить или модернизировать Интернет-узлы с уже предполагаемым режимом работы и качеством обслуживания сервисов и клиентов. 4.5. Объект разработки и исследований Объектом исследования в данной работе является процесс моделирования Интернет-узла, который состоит из нескольких взаимосвязанных этапов: проектирование топологии, задание параметров используемых компонентов, задание нагрузки на систему и оценки результатов моделирования. Эти этапы очень взаимосвязаны между собой и повторяются до тех пор, пока не будет достигнут определённый уровень работоспособности. 4.6. Методология и методы исследований В качестве основного метода исследований было решено использовать объектно-ориентированное моделирование. Такой подход позволит достаточно легко описывать компоненты системы, их взаимодействие и процесс обработки этими компонентами поступающих данных, что сделает модель максимально похожей на реальную систему. Наиболее распространёнными методами подобных разработок являются вероятностные математические модели теории массового обслуживания на основе одноканальных СМО с потерями, однако они не очень эффективны и позволяют получить только приблизительное соответствие, в следствии чего и был выбран более детальный и точный объектно-ориентированный подход. 5. Предполагаемая научная новизна Анализ предлагаемых на рынке продуктов по моделированию Интернет-узлов показал, что таких систем очень мало. Количество систем, которые дают хотя - бы приблизительные результаты работы реальной системе не достигает и десятка. Эти системы основаны на использовании либо совсем приблизительных методах моделирования, например теории массового обслуживания, либо на очень точном моделировании на уровне стека протоколов сетей передачи данных и аппаратной реализации вычислительных систем, что не позволят корректировать параметры используемых компонент. Научная новизна состоит в использовании объектно-ориентированного подхода для моделирования Интернет-узла, что позволит осуществлять более простую и тонкую настройку характеристик используемых компонент. Основная идея объектного подхода состоит в том, чтобы заключить данные и связанные с ними процедуры в некие структуры (объекты), объединенные механизмом наследования. Объектно-ориентированные подход к моделированию и проектированию программных систем наилучшим образом подходит для решения проблем, требующих детального представления объектов реального мира и динамических отношений между ними. 6. Практическое значение полученных результатов Значение полученных результатов нельзя переоценить. В результате моделирования разработчики Интрент-узла получат данные о том, как их планируемый комплекс оборудования будет работать в реальности. Среди этих данных будут все наиболее важные параметры, благодаря которым можно с большой точностью планировать бизнес-процессы и стратегию развития организации. Также, благодаря моделированию, ещё на стадии проектирования будут отброшены неверные схемы построения, благодаря чему будут сохранены не только огромные средства на ошибочное построение систем, но и время, что в наши дни иногда даже дороже. Также можно моделировать изменения в структуре Интернет-узла и оценивать результаты не мешая и не останавливая реальную систему. 7. Апробация работы Данная работы ещё не была представлена широкому кругу научной аудитории. Однако, планируются несколько выступлений и публикаций на всеукраинских студенческих конференциях в 11 семестре обучения. 8. Обзор исследований и разработок по теме 8.1. На локальном уровне Вопрос моделирования Интернет-узлов в рамках учебного процесса рассматривается в ДонНТУ впервые. Существуют магистерские работы, темы которых немного похожи с этой работой, однако, чёткого соответствия исследуемой темы нет. Работой над наиболее похожими темами занимались магистры Терещенко Валерий Витальевич «Разработка моделей и программных средств для анализа и определения параметров работы Web-узлов в Интернете» и Лавров Алексей Сергеевич «Моделирование и расчет основных параметров корпоративных информационных систем» 2005 года выпуска[5]. Вопрос моделирования Интернет-узлов в рамках учебного процесса рассматривается в ДонНТУ впервые. Существуют магистерские работы, темы которых немного похожи с этой работой, однако, чёткого соответствия исследуемой темы нет. 8.2. На национальном уровне Исследования по теме моделирования и оптимизации информационных потоков, информационных систем связи и комплексов аппаратного обеспечения в Украине наиболее обширно занимаются в Одесской Национальной Академии Связи им. О.С.Попова. Сотрудниками и студентами данного университета постоянно издаются авторефераты и статьи по темам, похожим исследуемой[6]. 8.3. На глобальном уровне Исследования по данной теме за пределами нашей страны, особенно в Европе, достаточно обильны и носят очень детальное научное обоснование. Среди наиболее ведущих учёных этой области можно выделить: Srinivas Shakkottai R. Srikant, University of Illinois at Urbana-Champaign[7]; R.Deepakl, Timothy A., Gonsalves and Hema A. Murthy, TeNeT Group, IIT Madras Chennai[8]. В таблице 8.1 приведены характеристики нескольких популярных систем имитационного моделирования различного класса - от простых программ, предназначенных для установки на персональном компьютере, до мощных систем, включающих библиотеки большинства имеющихся на рынке коммуникационных устройств и позволяющих в значительной степени автоматизировать исследование изучаемой сети. Таблица 8.1 - Примеры систем моделирования и анализа Интернет-узлов
Наиболее удобной и точной из этих систем является COMNET III компании CACIProducts, которая является одним из лидеров рынка систем имитационного моделирования сетей, разрабатывая подобные средства уже 35 лет[9]. Система имитационного моделирования COMNET позволяет анализировать работу сложных сетей, работающих на основе практически всех современных сетевых технологий и включающих как локальные, так и глобальные связи. COMNETIII предлагает использовать простой и интуитивно понятный способ конструирования модели сети, основанный на применении готовых базовых блоков, соответствующих хорошо знакомым сетевым устройствам, таким как компьютеры, маршрутизаторы, коммутаторы, мультиплексоры и каналы связи. Пользователь применяет технику drag-and-drop для графического изображения моделируемой сети из библиотечных элементов. Затем система COMNETIII выполняет детальное моделирование полученной сети, отображая результаты динамически в виде наглядной мультипликации результирующего трафика. Другим вариантом задания топологии моделируемой сети является импорт топологической информации из систем управления и мониторинга сетей. После окончания моделирования пользователь получает в свое распоряжение следующие характеристики производительности сети:
Если результаты наблюдений сохранены в файле для последующего построения графиков и анализа, то возможно также построение гистограмм и процентных показателей. Возможно построение графиков и во время моделирования. COMNETIII включает интегрированный набор средств для статистического анализа исходных данных и результатов моделирования. С их помощью можно подобрать подходящее распределение вероятностей для экспериментально полученных данных. Средства анализа результатов позволяют вычислить доверительные интервалы, выполнить регрессионный анализ и оценить вариации оценок, полученных по нескольким прогонам модели[10]. 9. Основное содержание работы Первый раздел. Целью магистерской работы является усовершенствование алгоритма моделирования работы Интернет-узлов и разработка метода анализа характеристик сетей ЭВМ, как сетей с неоднородным трафиком путем декомпозиции сетей на узлы и декомпозиции неоднородного потока. Для декомпозиции модели на уровне средних значений и дисперсий времен поступления и обслуживания заявок не существует точных методов. В некоторых работах пользуются только уравнениями равновесия потоков на уровне их интенсивностей. Такой подход фактически означает замену случайного потока событий его средним значением, т.е. математическим ожиданием. Как известно, случайный процесс на практике чаще всего характеризуют его математическим ожиданием, дисперсией и корреляционной функцией[11]. Поэтому учет дисперсий (вторых моментов распределений) интервалов времен существенно может улучшить результаты расчетов. Применение современных средств объектно-ориентированного моделирования позволяет реализовать такие методы системного анализа, как создание иерархии понятий, обобщение понятий, наследование свойств, многообразие моделей описания предметной области, визуализацию представлений эксперта о процессах, протекающих в рассматриваемой предметной области. Таким образом, учитывая все вышеупомянутые достоинства СМО и объектно-ориентированного подхода, можно сделать вывод, что объектно-ориентированное моделирование идеально подходит для моделирования и анализа работы Интернет-узлов за счёт того, что позволяет более детально описать процессы между огромным различием взаимодействующих систем, в отличие от СМО, которая лишь обобщённо описывает процессы, но показывает последовательность работы системы, что служит основой для расширения этого принципа в объектно-ориентированном методе. Второй раздел. Моделирование всех компонентов сети (компьютеров, маршрутизаторов, свичей, каналов связи и т.д.) и процессов обработки заявок при помощи объектно-ориентрованного подхода позволит создать легко масштабируемую, простую и удобную в использовании систему для моделирования и анализа Интернет-узлов[12]. Применение современных средств объектно-ориентированного моделирования позволяет реализовать объекты компьютерной сети при помощи таких методов системного анализа, как создание иерархии понятий, обобщение понятий, наследование свойств, многообразие моделей описания предметной области, визуализацию представлений эксперта о процессах, протекающих в рассматриваемой предметной области. Для моделирования плотностей вероятностей интенсивности поступления пакетов в сети воспользуемся следующим методом расчёта, суть которого состоит в следующем: 1. Интернет - провайдер имеет полосу пропускания Мбит/с и каждому пользователю для передачи трафика предоставляются следующие полосы:Мбит/с - первый пользователь,Мбит/с - второй пользователь и т.д. Мбит/с- n-ый пользователь. 2. Предполагается, что мгновенная скорость передачи является случайной величиной с равномерной плотностью вероятности на отрезке , Мбит/с - где - представляет собой минимальную скорость, на которой пользователь передает трафик Интернет - провайдеру и может принимать любое значение из интервалаМбит/с. 3. Для определения суммарной функции плотности распределения n случайных величин используется аппарат характеристических функций. 4. Плотности распределения суммыищутся обратным преобразованием Фурье от характеристической функции. Графики функций плотностей распределений при различных n показаны на рис.9.1 и рассчитаны при:=0,2 Мбит/с;=0,4 Мбит/с;= 0,5 Мбит/с;=0,7 Мбит/с[13]. Результаты представленные на рис.9.1 показывают, что чем больше пользователей находится в сети Интернет - провайдера, тем больше кривая функции плотности распределения стремится к нормальному закону, что теоретически подтверждается центральной предельной теоремой. Рисунок 9.1 - Зависимость количества пользователей и плотности распределения 5. По найденной плотности рассчитывается интенсивность . Для случая Мбит/с, для Мбит/с, для Мбит/с, для Мбит/с. Предложенный метод позволяет учитывать различные вероятностные свойства входящего потока Интернет - провайдера. (1)
, где - некоторый положительный параметр больше 1, по которому требуемая скорость определяется как эффективная ширина полосы с данным параметром.
Подставляя значения функций плотностей распределений при различных п , получим значения эффективной ширины полосы. Для n =10 считаем, что w(x) нормальная плотность с параметрами При выбранных параметрах построены графики зависимости h от качества сервиса с для n = 1;2;3;4 и для п=10 [14].Рисунок 9.2 - Зависимость качества обслуживания от скорости Введенный параметр Интернет-сервиса с очень важен как для пользователя, так и для провайдера. Шкала величины с позволяет установить и поддерживать единое требуемое (исходя из гарантированной скорости доставки трафика) качество обслуживания для всех пользователей. Полученные результаты могут широко применяться совместно с программами имитационного моделирования при проектировании и прогнозировании будущей сети Интернет – провайдера, либо при выборе размера памяти буфера, что позволит избежать перегрузок в сети и предоставлять пользователям качественную услугу в виде гарантированной скорости доставки трафика[15]. Третий раздел. Разработка модели работы системы для проверки описанных методов моделирования. Исследование и анализ метода моделирования. Оценка точности и эффективности выбранных методов моделирования информационных систем и протекающих в них процессов на основе сравнения результатов с реальными данными. Четвертый раздел. Разработка информационного и программного обеспечения для моделирования работы Интернет-узлов. Данная часть содержит программную реализацию информационного обеспечения описанного алгоритма функционирования системы, которая состоит из нескольких модулей: модуля ввода, модуля решения (моделирования работы реальной системы) и модуля вывода для представления полученных результатов. Алгоритм работы моделирования Интернет-узлов с использованием разработанного программного обеспечения можно представить в виде последовательности действий, визуально представленных на рисунке 9.3 Рисунок 9.3 - Алгоритм работы моделирования и анализа работы Интернет-узлов (анимация: объём – 36,762 КБ; размер – 610x466; количество кадров – 5; задержка между кадрами – 200 мс; задержка между последним и первым кадрами – 1000 мс; количество циклов повторения – непрерывный цикл повторения) Моделирование такой системы состоит из пяти основных этапов: 1. Выбор оборудования для моделируемой системы; 2. Объединение оборудования в информационную сеть; 3. Задание параметров рабочей нагрузки оборудования; 4. Модернизация структуры сети; 5. Окончательная проверка моделируемой системы. 10. Выводы В процессе выполнения данной магистерской работы будут выполнены задачи по анализу и усовершенствованию методов и средств разработки Интернет-узлов. Результаты данной работы смогут использоваться для создания или усовершенствования систем крупными фирмами по производству программного обеспечения, проектными, научно-исследовательскими и эксплутационными организациями при проектировании, разработке, внедрении и модернизации Интернет-узлов. Полученная модель сети позволит произвести оценку её производительности с учетом изменчивости характеристик входных неоднородных потоков. Разработанные рекомендации позволят повысить производительность сетей с неоднородными потоками на этапе их проектирования, а также оценить резерв и допустимую нагрузку существующих. Объектно-ориентированного моделирование – не новое, но очень перспективное научное направление, являющееся средством, которое позволяет существенно повысить точность моделирования путём более подробного описания системы. 11. Список испльзованной литературы: 1. Динамическое моделирование и анализ корпоративных вычислительных систем. №6.2001 [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.setevoi.ru/cgi-bin/text.pl/magazines/2001/6/40 2. Сетевые технологии. [Электронный ресурс]/ CITFORUM.RU. Режим доступа: http://www.citforum.ru/netshttp://book.itep.ru/4/45/modl4517.htm 3. Сетевое моделирование. [Электронный ресурс] / Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ). Режим доступа: http://book.itep.ru/4/45/modl4517.htm 4. Моделирование потоков информации в глобальной компьютерной сети интернет. [Электронный ресурс] / А. Г. Дубинский, Украина, Днепропетровский государственный университет. Режим доступа: http://ff.dsu.dp.ua/new_kef/publications/00/k7/00k7.htm 5. Разработка моделей и программных средств для анализа и определение параметров работы Web-узлов в Интернете. [Электронный ресурс] / Терещенко Валерий Витальевич. Режим доступа: http://www.masters.donntu.ru/2005/kita/tereschenko/index.htm 6. Одеська Національна Академія Зв'язку. ім. О.С.Попова / [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://onat.edu.ua 7. Economics of Network Pricing with Multiple ISPs. [Электронный ресурс] / Department of Electrical and Computer Engineering and Coordinated Science Laboratory, University of Illinois at Urbana-Champaign. Srinivas Shakkottai R. Srikant. Режим доступа: (sshakkot,rsrikant)@uiuc.edu 8. Network Security Management for a National ISP. [Электронный ресурс] / TeNeT Group, IIT Madras Chennai – 600 036. R.Deepakl, Timothy A., Gonsalves and Hema A. Murthy. Режим доступа: rdeepak@tenet.res.in, tag@tenet.res.in, hema@tenet.res.in 9. Збірник «Наукові праці» ОНАЗ. /[Электронный ресурс]. Режим доступа: http://sbornik.onat.edu.ua 10. Моделирование и расчет основных параметров корпоративных информационных систем. [Электронный ресурс] / Лавров Алексей Сергеевич. Режим доступа: http://www.masters.donntu.ru/2005/kita/lavrov/index.htm 11. Шаблоны проектирования. Новый подход к объектно-ориентированному анализу и проектированию. [Электронный ресурс] / Алан Шаллоуей, Джеймс Р. Трот. Режим доступа: http://www.williamspublishing.com/Books/5-8459-0301-7.html 12. Моделирование при создании и оптимизации ЦОД. [Электронный ресурс] / По материалам корпорации Dell. Режим доступа: http://www.bytemag.ru/articles/detail.php?ID=14121 13. Моделирование сетевого трафика с использованием контекстных методов. [Электронный ресурс] / Добровольский Е.В., Нечипорук О.Л. Режим доступа: http://sbornik.onat.edu.ua/?art=41 14. Математическое моделирование и информационные технологии в науке и образовании. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://mathmod.aspu.ru 15. Использование моделирования для оптимизации производительности сети. [Электронный ресурс]: Н.А. Олифер, В.Г. Олифер. Центр Информационных Технологий. Режим доступа: http://www.citforum.ru/nets/optimize/locnop_09.shtml Важное замечание: При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2009 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты. Материалы по теме выпускной работы: Автобиография | Автореферат | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальный раздел |