Введение к работе
Актуальность темы. Фундаментальные и прикладные исследования во сех областях физики, как теоретической, так и экспериментальной, в возрг-гающей степени опираются на информационные, вычислительные и коммуни-зционные сервисы так называемых "академических" компьютерных сетей, нтегрированных в Интернет. Эта тенденция характерна и для высшей школы нституты РАН и университеты были очагами зарождения российских регио-альных академсетей, продолжают играть ведущую роль в разработке и недрении новейших сетевых технологий и сервисов, обеспечивающих исполь-эванига Удаленных вычислительных мощностей, совместную работу рассредо-эченных научных групп, дистанционные наблюдения и эксперименты, дистан-ионное образование при подготовке и повышении квалификации научных ідров. Научные и образовательные учреждения собственными усилиями, пираясь на свой интеллектуальный потенциал в большей степени, чем на инансовые ресурсы, развивают свои корпоративные сети, предоставляющие энтингенту сотрудников не только возможность работы во внешних сетях, но все более возрастающие по значимости внутренние информационные, зічислительньїе и коммуникационные сервисы самой корпоративной сети інтранет).
Однако по мере того, как все большая часть сферы деятельности организа-л\л опирается на сетевые технологии, возрастает ее зависимость от качества надежности услуг ее корпоративной сети и внешних академсетей. Критерии фективности и надежности академических сетей определяются целями их ункционирования, отличными от специфики коммерческих, фирменных или ;министративно-ведомственных сетей, и должны быть сформулированы с іетом их предназначения и на основе представлений научного коллектива и дельного сотрудника о качестве и надежности предоставляемого им серви-1.
Возрастающие требования к безотказности сети и гарантированному каче-ву сетевых услуг должны с опережением учитываться при создании новых и эдерниЗации существующих научных сетей любого масштаба - от региональ-ій до локальной лабораторной сети - на всех уровнях сетевой иерархии - от «ізической среды до протоколов прикладного уровня.
Таким образом, исходя из целей функционирования научных и образова-льных сетей, закономерностей их децентрализованного индивидуального
становления и развития в условиях существенных финансовых ограничений заведомо ненадежной внешней сетевой среды и с учетом возрастающее степени риска при отказах в сети, приводящих к срыву дорогостоящих плановые экспериментов, научных конференций и образовательных программ, резуль-таты исследований, позволяющие повысить эффективность и надежності таких сетей, отвечают потребностям не только научных кругов, но и обществе в целом.
Цель работы. Цель работы лежит в русле обозначенного выше актуального направления исследований, сформулирована в названии диссертации \> предполагает решение следующих задач.
-
Проанализировать критерии эффективности и надежности компьютерны) сетей, их применимость для научных и образовательных сетей.
-
Обосновать необходимость и разработать обобщенный показатель эффективности и надежности рассматриваемых сетей, позволяющий учитывать качество предоставляемых ими сервисов.
-
На основе вводимого показателя определить первостепенные направления оптимизации параметров функционирования сети.
-
Разработать методику и средства сбора статистических данных для оценкк обобщенного показателя эффективности и надежности сетей.
-
Применить предлагаемый подход к задаче синтеза физической топологии сети кампуса.
Методы исследования. В работе использованы методы оптимизации теории надежности, математической статистики, математической логики. Общей методологической основой служит системный поход
Научная новизна. Рассмотренные в работе взаимосвязанные задачи сформулированы в новой постановке и для их решения предложены либо оригинальные методы, либо новая комбинация ранее известных методов с их модификацией.
1. Предложен и обоснован обобщенный показатель эффективности и надеж
ности корпоративных сетей, учитывающий специфику их использования в
научных исследованиях и в образовательных целях (астрофизические экспери
менты, ядерные исследования, радиометрические наблюдения, дистанцион
ное взаимодействие исследовательских групп и обучение).
2. На уровне физической среды сформулирована и исследована задача
топологического синтеза территориально распределенной сети кампуса с
учетом прогнозируемой динамики роста информационно-вычислительных и телекоммуникационных ресурсов сети и роста потребностей поразделений-пользователей. Предложен и обоснован принцип структурирования магистрали сети, обеспечивающий гибкую адаптивность синтезируемой структуры и живучесть сети в течение длительного периода. Доказана экономическая целесообразность введения существенной структурной избыточности в синтезируемую топологию. Предложена модель структуризации, позволяющая формализовать задачу многокритериального синтеза топологии в терминах отыскания значений варьируемых параметров топологической структуры, отвечающих выбранным критериям эффективности и надежности.
3. На сетевом и транспортном уровнях сформулирована и исследована задача комплексной диагностики состояния сети и внешних трасс передачи дейтаграмм в IP-сетях. Предложены принципы построения адаптивного анализатора протоколовТСР/IP, позволяющего автоматически зондировать внешние относительно многосвязного местного коммуникационного узла трассы с частотой и степенью детальности тестирования, автоматически варьируемыми в зависимости от интенсивности потока сообщений об ошибках доставки исходящих из сети пакетов с удаленным адресатом и других симптомов, прогнозирующих возникновение перегрузок, широковещательных штормов, угроз внешнего воздействия (ICMP-flooding).
На защиту выносятся:
методика оценки эффективности и надежности сетей по обобщенному показателю, учитывающему стабильность и качество предоставляемых сервисов;
методика построения опорной сети кампуса с перестраиваемой логической топологией магистральных связей, обеспечивающая живучесть сети и возможность ее адаптации к изменяющимся условиям эксплуатации;
метод построения адаптивного программного анализатора состояния знешних трасс передачи дейтаграмм;
Практическая реализация результатов работы. Результаты нашли применение в разработках, в которых автор принимал участие в качестве эуководителя группы, ответственного исполнителя, соисполнителя, консультанта или эксперта, а также частично отражены в лекциях по курсу "Архитектура ;етей ЭВМ", в электронном пособии и в сетевой обучающей системе. Иссле-
дования по разделам диссертации проводились в рамках научных программ Минннауки, РАН, РФФИ и Министерства образования.
1. Программа "Университеты России", направления IV, V, и VIII (1193-1995 гг.)
и Межведомственная программа "Создание национальной сети компьютерных
телекоммуникаций для науки и высшей школы". При участии автора в качестве
ответственного исполнителя тем в СПбГТУ и руководителя группы проекта
РОКСОН были разработаны и реализованы концепция и структура Региональ
ной объединенной компьютерной сети образования и науки. Кроме того
автором были разработаны архитектуры городского узла академсети «Север
ный 1» РОКСОН и ЛВС факультета технической кибернетики.
-
Программа Миннауки "Создание опорной сети регионального вычислительного кластера супер-ЭВМ". Совместно с группой Института межфазных взаимодействий и высокопроизводительных вычислений исследованы проблемы и автором разработаны принципы организации высокоскоростного многосвязного коммуникационного узла повышенной надежности, воплощенные в центре компьютерной связи ИВВБД-RUNNet-.
-
Программа информатизации СПбГТУ. Рабочей группой при непосредственном участии автора разработана концепция создания и развития сети технического университета. Проект действующей и развивающейся оптоволоконной сети кампуса разработан автором на основе изложенного в диссертации метода. Совместно с кафедрой информатизации ИМОП разработана реализованная' на практике архитектура сети Института международных образовательных программ при СПбГТУ, а также предложен и принят к реализации экономически целесообразный вариант комплексного развития надежной телекоммуникационной инфраструктуры ИМОП-СПбГТУ на период с 2000 г.
-
Грант РФФИ (№ 98-07-90359 1998 г.) "Развитие телекоммуникационных ресурсов узла компьютерной связи Северный1 - Северный 2/ РОКСОН, обеспечивающего информационную поддержку фундаментальных исследований". Совместно с ФТИ им. А. Иоффе (РАН) исследованы проблемы оптимизации тематической сети по космическим исследованиям RSSI в Санкт-Петербурге,
предложены и реализованы решения по адаптивной маршрутизации и использованием телекоммуникационных ресурсов узла базовой сети РОКСОК.
-
Программа "Интеграция ВУЗ-РАН" (проект 578, с 1997 г.) и Межведомственный проект "Генетический код Вселенной" (с 1998 г.) Автором разработана сетевая структура УНЦ "Астрономия" в Санкт-Петербурге, включая ЛВС в СГІ6ГТУ Предложено и реализовано решение задачи модернизации сети Института астрономии СПбГУ (Петродворец), исследованы проблемы дальнего межсетевого взаимодействия УНЦ в Санкт-Петербурге с САО РАН (Зеленчук). Исследованы проблемы внутренней коннективности между площадками на территории САО и принципы повышения эффективности внешнего канала связи с академсетями; предложены способы решения основных проблем, одобренные на совещании Совета УНЦ КЛ "Наземная астрономия" (Архыз, январь 1998 г.), некоторые из них (политика внешней маршрутизации) при участии автора реализованы.
-
Программа Минатома Единая Государственная автоматизированная система контроля радиационной обстановки (ЕГАСКРО). Группой разработчиков АТЦ "Радиевый институт" РАН им. В.Г. Хлопина при участии автора разрабатывались теоретические и прикладные аспекты отдельных задач общей проблемы построения типологически устойчивой к отказам информационной сети радиационного мониторинга региона. Полученные результаты позволили осуществить интеграцию сети Минатома с региональной сетевой инфраструктурой и вычислительными ресурсами ИВВ и БД.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались в период СІ994 по 2000 гг. на международных и всероссийских конференциях, школах и семинарах, в частности, на объединенной конференций ISOC и европейских сетевых ассоциаций INET'94/JENC5 (июнь 1994 г., Прага), на III (май 1994 г.) международной конференции "Региональная информатика" (UNESCO, СПИИРАН, СПб), на 1-ой (июль 1994 г.) и 2-ой (июль 1996 г.) международных конференциях ICDED'94 и '96 (Москва), 1-ой международной школе по высокоскоростным сетям и платформам открытой распреде-пенной обработки (июнь 1995 г., СПИИ РАН, Санкт-Петербург), на международном научном форуме NORDIC/BOTNICTribune Meeting (май 1994 г., Ньюкопинг,
Швеция), на всероссийской научно-технической конференции "Компьютерны! технологии в высшем образовании" (март 1994 г., Санкт-Петербург), на пяті ежегодных всероссийских научно-технических конференциях "Телематика (1995-2000 гг., Санкт-Петербург), на V международной научно-техническоі конференции "Высокие интеллектуальные технологии образования и наукі (январь, 1998 г., Санкт-Петербург), на международной научной конференциі "Интеллектуальные технологии и дистанционное обучение на рубеже XXI века IHEAS'99 (июль 1999 г., Санкт-Петербург), на III и V всероссийских конферен циях "Фундаментальные исследования в технических университетах" (июні 1999, 2000 гг.), на международной конференции "Концептуальные научньк познания" ColoS'99 (сентябрь 1999 г., Санкт-Петербург), а также на научны: семинарах и конференциях Санкт-Петербурга.
Публикации. По разделам диссертации опубликовано 25 работ (в том числе справочное экспертно-аналитическое пособие, 2 статьи, 2 внешних отчета і тезисы 20 докладов), из них в автореферате приведены 17.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав заключения, списка литературы из 106 источников и трех приложений. Объек работы 95 ертаниц.
