Ю Н Возовиков, В Я Воропаева, В Ф Шапо - Выбор топологии и оптимизация загрузки компьютерных сетей специального назначения - страница 1

Страницы:
1  2 

Наукові праці ДонНТУ

Випуск 20 (182)

УДК 681.518:378

1 2 3

Ю.Н. Возовиков , В.Я. Воропаева , В.Ф. Шапо

1) Одесский национальный политехнический университет, г. Одесса кафедра системного программного обеспечения 2) Донецкий национальный технический университет, г. Донецк кафедра автоматики и телекоммуникаций 3) Одесская национальная морская академия, г. Одесса кафедра теории автоматического управления и вычислительной техники E-mail: yuri email@mail.ru, voropayeva@meta.ua, stani@te.net.ua

ВЫБОР ТОПОЛОГИИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЗАГРУЗКИ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Аннотация

Возовиков Ю.Н., Воропаева В.Я., Шапо В.Ф. Выбор топологии и оптимизация загрузки компьютерных сетей специального назначения. Предложен метод выбора топологиче­ской структуры компьютерной сети специального назначения и оптимизации ее загрузки. Учтены цена, живучесть, объемы сетевого трафика, возникающего при обращении к уда­ленным СУБД в рамках территориально распределенной информационной системы пред­приятия.

Ключевые слова: компьютерная сеть специального назначения, топология, сетевой тра­фик, материализованное представление.

Общая постановка проблемы. После распада СССР и обретения Украиной незави­симости возникла необходимость в создании таможенной службы (ТС) практически заново. К существовавшим таможенным постам добавился ряд дополнительных, поскольку Украина получила новые границы с Россией, Молдовой и Беларусью. Всё активнее используются и создаются проходящие по территории Украины транспортные коридоры. Поэтому возникает необходимость в создании новых таможенных подразделений, расширении и модернизации имеющихся, а также в создании единой информационной системы (ИС), базирующейся на территориально распределенной компьютерной сети (ТРКС), отвечающей современным требованиям к аппаратному и программному обеспечению, сетевому и коммуникационному оборудованию. Решение этой задачи затрудняет нехватка средств и существенные ограниче­ния в применении компьютерных сетей общего пользования в связи с закрытостью переда­ваемой информации. Поэтому невозможно или затруднено применение в чистом виде техно­логии VPN (Virtual Private Network), физически построенных на тех же линиях связи, что и другие сети, но использующих шифрование и каждый раз заново устанавливаемые логиче­ские соединения. Нельзя или нежелательно также применять протоколы Ipsec, https и анало­гичные, использующие шифрование данных в сетях общего пользования. По тем же причи­нам невозможно применение модели SaaS, в которой пользовательские данные хранятся на серверах провайдеров хост-услуг. Кроме того, зачастую используются морально устаревшие низкоскоростные линии (каналы) передачи данных. В итоге ТРКС, на которой базируется ИС ТС, обладает низкой живучестью и недостаточной пропускной способностью, большим вре­менем реакции системы на запросы пользователей при обращении к удаленным базам дан­ных (БД), завышенной стоимостью, поскольку строится эвристически, на базе накопленного опыта подобных решений, без использования научного подхода [1 - 3].

Комплексный метод построения ТРКС общего назначения был рассмотрен в [3]. Дан­ный метод может быть задействован и при построении ТРКС и ИС ТС.

Решение задач и результаты исследований. Предлагается метод построения ИС ТС, позволяющий формализовать и автоматизировать процесс их создания и модернизации и за­ключающийся в последовательном выполнении взаимосвязанных этапов. На первом этапе разрабатывается информационная модель (ИМ) ТРКС ИС на основе анализа связей между входящими в нее локальными компьютерными сетями (ЛКС), анализа типов и объемов цир­кулирующего в ней трафика и временного распределения нагрузок на отдельные узлы ИС.

Для анализа информационных потоков при разработке ИС ТС целесообразно исполь­зовать структурный анализ. В настоящее время известно около 90 его разновидностей [4, 5]. При этом используются три группы средств: DFD (Data Flow Diagrams) - диаграммы потоков данных или SADT (Structured Analysis Design Technique) - диаграммы, иллюстрирующие функции системы; ERD (Entity-Relationship Diagrams) - диаграммы "сущность-связь", моде­лирующие отношения между данными; STD (State Transition Diagrams) - диаграммы перехо­дов состояний, моделирующие поведение системы во времени.

При анализе систем обработки информации обычно используется методология DFD [4, 5]. Практически любые системы могут быть промоделированы при помощи DFD-ориентированных методов, поэтому для построения ИМ ИС ТС выберем методологию DFD как в наибольшей степени соответствующую поставленной задаче.

Исходя из анализа типов и расчета объемов трафика, строятся модифицированные DFD-диаграммы D и множество двудольных графов ZG = G2, Gi, Gz}, D—ZG, ха­рактеризующих обмен данными между ЛКС через ТРКС. Узлы ЛКС генерируют трафик не­скольких типов. Трафик i-й ЛКС, i = 1, z, описывается двудольным графом; L1, Lz -ЛКС, входящие в ТРКС; ni - число узлов ЛКСі; U1i, ... , С/^. - n узлов i-ой ЛКС.

Полный трафик через ТРКС

z       z       ni  f k m ^

Wrs =   Z   Z   I   IWRabic +S WSabjc    , (1)

где k и m количество типов трафика реального времени (ТРВ) и синтетического трафика (ТСТ) соответственно.

Пропускная способность канала связи ТРКС Bm выбирается на базе рассчитанной By [3] c учетом (1): имеется q значений стандартных пропускных способностей каналов связи, отсортированных по возрастанию, B = (B1, B2, ..., Bm, ... , Bq). Тогда Vi, 3Bm, Bm-1 < By & Bm >

Bij.

При выборе каналов связи необходимо учесть следующие варианты.

1. Сети общего пользования (Интернет) и сети специального назначения, использую­щие кабельные системы.

2. Сети, базирующиеся на спутниковых каналах передачи данных (Инмарсат и анало­гичные) или на протоколах мобильной связи (протоколы 3-го и 4-го поколений).

3. Беспроводные сети стандарта IEEE 802.16: IEEE 802.16а, IEEE 802.16-2004. Подходы, перечисленные в п. 1-3, могут быть применены при условии надлежащего

шифрования передаваемых данных, защиты каналов передачи данных от прослушивания и соответствия требованиям жесткого реального времени.

При построении ТРКС чрезвычайно важным является построение ее топологии с уче­том требований к живучести и пропускной способности линий связи (ЛС), так как неопти­мальное проектирование приводит к излишним материальным и временным затратам. Син­тез топологической структуры ТРКС выполняется с учетом размещения ее узлов, особенно­сти прокладки ЛС и накладываемых оборудованием ограничений, требований к живучести и стоимости ТРКС. Информация о размещении узлов может задаваться с помощью системы координат или указанием расстояний между всеми узлами, что позволяет учесть конкретные особенности прокладки ЛС (мосты, водоемы, городская черта). Минимизируемым критериемпри построении ТРКС является ее стоимость. Представим ТРКС в виде графа (узлы - в виде вершин, ЛС - в виде ребер). Эта задача - частный случай задачи построения экстремального дерева (ЭД). В качестве веса ребра графа используем стоимость ЛС, соединяющей его вер­шины. Часто возникает необходимость модернизировать имеющуюся сеть, когда некоторые узлы уже соединены. При добавлении ребра учтем максимальную связность узла, опреде­ляемую аппаратными (число портов маршрутизатора или шлюза) и финансовыми ограниче­ниями. В связи с неблагоприятным географическим положением узла некоторые ЛС не мо­гут быть проложены и исключаются из рассмотрения до этапа введения связей в граф. Такая ситуация требует пересмотра ограничений или рассмотрения каждой полученной подсети по отдельности и связывания их по радиоканалу или спутниковой связи.

На втором этапе проектирования разрабатывается топологическая структура ТРКС ST = f(C, E) с учетом заданного при постановке задачи проектирования уровня живучести и соотношения цена C / живучесть E.

Метод повышения живучести ТРКС содержит следующие шаги.

1. Вычислить число ЭД графа сети m

т = С*л1= , (2)

"-1 Щп-\-к)\

где k - количество возможных разрывов линий связи; n - число вершин графа сети.

2. Сформировать список ограничений из k связей.

3. Построить ЭД графа сети без использования связей, попавших в список, полагая, что такие соединения не могут существовать.

4. Повторить m раз шаги 2 и 3, после чего из всех полученных ЭД графа сети нало­жением получить результирующий граф.

Рисунок 1 - Граф сети, соединяющей узлы ИС ТС (повышенная живучесть)

Предложенный метод позволяет реализовать решение ряда задач, возникающих при построении ТРКС. Построение топологии сети с заданной живучестью и минимальной стои­мостью, расчет времени транзакции между ее узлами и выбор сетевого оборудования позво­ляют избежать излишних финансовых и временных затрат при построении сети (рис. 1), где черным цветом указаны ЛС ЭД, а зеленым - дополнительно построенные ЛС, позволяющие повысить живучесть ТРКС и быстродействие ИС.

В работах [5, 6] показана эффективность управления включением/выключением мате­риализованных представлений (МП) при работе ИС, поскольку одним из важнейших типов трафика являются запросы к удаленным БД. Однако вопрос определения моментов включе­ния/выключения МП остается открытым. Эффективность МП может быть значительно по­вышена, если учитывать периодичность появления соответствующих запросов. Для исследо­вания реальной ИС будем исследовать ее журнал транзакций. В работе [7] показано получе­ние множества групп запросов G из журнала транзакций, для которых целесообразно строить МП и определять периодичность их включения и выключенияG = {G1V.., GiGn} .

Далее, на примере группы запросов Gi, найдем периодичность их появления. Затем найдем периодичность для каждой группы множества G. Ниже предложен метод определе­ния периода включения МП, основанный на анализе длительности включения МП и интер­вала между моментами эффективного использования МП.

Вначале определим эффективность применения МП для группы запросов Gi в течение периода наблюдения T как отношение времени выполнения всех запросов без внедрения МП ко времени выполнения этих же запросов при использовании МП:

k

Z tGil

Egt =~k-і^—к-гя--1 , (3)

Z tmpi + Z tuil + Z tz + Z tnz l=1 l=1 l=1 l=1

где tGil - время выполнения всех запросов группы Gi за время tp без внедрения МП;

tmpi - время выполнения всех запросов, которые входят в Gi за время tp, при использовании

МП; ku - число обновлений МП за время tp (число операций Update); k - число запросов типа

Select; knz - число запросов типа Select, не вошедших в МП; tnz - время выполнения запросов

типа Select, не вошедших в МП; tuil - время обновления соответствующего МП; tz - время

анализа запросов; tp - минимальный интервал времени при определении плотности запро­сов.

На рис. 2 приведены графики, иллюстрирующие распределение во времени функции эффективности применения МП и управляющих сигналов МП. _

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tp

tp

tp

tp

tp

tp

tp

tp

tp

tp

tp

tp

T

а) Эффективность применения МП во времени

б) Моменты времени включения/выключения МП

Рисунок 2 - Применение МП

Для оценки качества выбора периода и моментов включения МП введем следующие характеристики.

1. Максимально возможная эффективность применения МП - отношение времени вы­полнения всех запросов без внедрения МП ко времени выполнения этих же запросов с управлением вкл/выкл, в соответствии с рис. 1, б.

k

Z tGil

Eg     =_l=1__1 (4)

о max i k ku k

Z tmpi + Z tuil + Z tz l=1 l=1 l=1

2. Минимально возможная эффективность применения МП - эффективность примене­ния МП при включении МП на весь период работы ИС.

Эффективность применения МП для группы запросов Gi при постоянно включенном МП получим минимально возможную эффективность применения МП:

k

Z tGil

Egmn i = ^-^-k--1. (5)

Z tmpi + Z tuil + Z tz

l=1 l=1 l=1

3. Средняя эффективность применения МП - рассчитываемая эффективность приме­нения МП при средних расчетных величинах периода и длительности использования МП.

3.1. Средняя длительность включения МП:

tdlcp =Z (tei- tsi)lm, (6)

где ti - время использования каждой группы запросов Gi (ti = tei - tsi); Tsi = {ts1,tsitsn } - моменты включения МП; Tei ={te1,tei ten } - моменты выключения МП; m - число расчетных периодов включения/ выключения МП.

3.2. Средний период включения МП:

Фср =Z   (tsi-1 - tsi)l m ' (7)

Z tGi1

Z tmpi + Z t«U + Z tz + Z tnz

1=1 1=1 1=1 1=1

При Eg maxi ~ Eg mini или Eg maxi ~ Egsri можно рекомендовать использовать сис­тему при постоянно включенном МП. При средних величинах ширины tdl и периода tp , рассчитывая Egcpi, определим момент первого включения МП. При наибольшей величине Egcpi (8) фиксируем момент включения МП. Варьируя величину ширины tdlcp от min до max, определяем наибольшую величину Egcpi (8) и оптимальную величину tdlcp (5). Анало­гично определяем оптимальную величину периода tpcp (7). При новых величинах tdl, tp по­вторно определяем момент первого включения МП. Если расчетная величина Egi > Egcpi (8),

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Ю Н Возовиков, В Я Воропаева, В Ф Шапо - Выбор топологии и оптимизация загрузки компьютерных сетей специального назначения