Архитектура программной системы автоматизированного проектирования и моделирования вычислительных сетей

Рис. 5. Общая структура САПР ВС

Структурная схема предлагаемой САПР ВС представлена на рисунке 5.

Программная реализация построена с использованием объектно-ориентированного программирования. Интерфейс построен на основных визуальных компонентах Windows в среде Delphi 5.0. Основной интерфейсной частью являются специализированные графические редакторы, в которых строятся бизнес-диаграмма и структурная модель ВС.

В заключение следует отметить, что, используя такой инструмент, как САПР ВС, человек может создавать наглядные проекты сетей, достаточно быстро их оценивать и динамически перестраивать, что ведет к существенному повышению качества разрабатываемых ВС.

АРХИТЕКТУРА ПРОГРАММНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

А.А. Стецко, к.т.н.

Проектирование сложных технических систем, таких как локальные, корпоративные и телекоммуникационные вычислительные сети (ВС) -сложный многоуровневый процесс. При моделировании действующей сети человек обладает рядом статистических данных, после обработки которых он может внести изменения в ее конфигурацию. При проектировании новой сети таких данных нет, и проектировщик может лишь предвидеть, прогнозировать, как будет загружен тот или иной сетевой канал, насколько велик будет объем вычислений, производимых тем или иным узлом сети. Подобные прогнозы могут быть сделаны на основе описания производственных процессов, представленных потоковыми (Data Flow Diagram) DFD-диаграммами. В процессе проектирования необходимо учесть и будущее назначение сети, для чего нужно построить имитационную модель тех процессов, которые будут в ней происходить. Только осознавая круг задач сети, можно построить ее наиболее эффективно. Существующие системы оптимизации ВС позволяют решить задачу моделирования транспортного уровня. Современное распространение автоматизированных методов построения прикладных процессов ставит новую задачу - моделирование работы ВС на уровне прикладных производственных процессов. Для решения такой задачи необходимо найти эффективные методы наложения схемы процессов на транспортную схему ВС. Решению задачи согласования транспортного и прикладного процессного уровней в ходе автоматизированного проекти-

рования и посвящена данная статья. Предложенные методы решения встроены в разработанной САПР ВС.

Основные задачи и этапы

автоматизированного проектирования и моделирования ВС

Разработанная САПР ВС демонстрирует необходимое сочетание процессов автоматизированного проектирования ВС и моделирования будущего поведения ВС. Взаимодействие этих двух процессов осуществляется как последовательность ряда этапов.

1. Описание задач проектируемой ВС: составляется модель потоков данных, проектируемой сети без привязки к физической структуре сети. Этот этап является важнейшим в предлагаемом методе проектирования ВС, так как правильно составленная диаграмма процессов, происходящих в сети, является основой для проектирования.

2. Описание физической структуры сети: проектировщик описывает локальную сеть на уровне узлов сети и каналов связи. Здесь устанавливаются взаимосвязи узлов сети через коммутирующие модули, или маршрутизаторы, расставляются серверы. Для каждого узла сети задается таблица маршрутизации. Фактически моделируется процесс составления и настройки реальной локальной сети.

3. Расчет обобщенной модели: производится слияние модели прикладных процессов и физической модели сети в обобщенную модель и ее ав-

томатизированный просчет. Фактически система самостоятельно расставляет блоки диаграммы прикладных процессов, учитывая суммарный трафик сети, а также вычислительную загрузку отдельных узлов. При помощи генетического алгоритма система находит оптимальный вариант наложения составленной схемы прикладных процессов на спроектированную физическую сеть.

4. Модификация заключается во внесении изменений в одну или обе модели, а также в перестроении взаимосвязей проектировщиком.

Первые два этапа проектирования производятся в системе параллельно. Проектировщик в любой момент может переключаться между составлением диаграммы прикладных процессов и созданием физической модели сети. Такая возможность позволяет уже на начальных этапах проектирования улучшить качество получаемой модели ВС за счет того, что проектировщик постоянно учитывает взаимосвязь между этими моделями.

Этапы модификации и оптимизации могут повторяться несколько раз, пока полученная система не будет удовлетворять всем требованиям проектировщика.

Функционально разработанная САПР ВС

состоит из следующих модулей: БРБ-диаграммер, мастер перехода между компонентами проектирования и моделирования, редактор ВС, модуль имитационного моделирования на основе сетей Петри, модуль моделирования роутинга, модуль генетической оптимизации и модуль байесовской оптимизации. Связи между модулями изображены на рисунке.

Модуль имитационного моделирования на

основе сетей Петри предназначен для формирования библиотеки функциональных моделей элементов ВС с помощью раскрашенной сети Петри. Раскрашенная сеть Петри, представляющая модель любого объекта ВС, может содержать следующие элементы: цвета, позиции, переходы, дуги и порты. Каждый из указанных элементов характеризуется своими свойствами и поведением.

Модуль байесовской оптимизации v.1.0 build 40 решает задачу оптимизации топологии ВС на основе байесовских сетей доверия. Для реализации механизма байесовских сетей доверия в

прототипе САПР ВС использован модуль MSBNx фирмы Microsoft. Этот модуль представляет собой внутренний сервер автоматизации, реализованный в виде DLL-файла. Основные преимущества использования данного сервера заключаются в высокой скорости пересчета вероятностей, удобным вариантом хранения структуры сети и обработкой ошибок на этапе распространения вероятностей. Главными недостатками являются: недоступность исходного кода, отсутствие возможности наблюдения за процессом распространения вероятностей, необходимость использования технологии COM для работы с сервером. Сервер предназначен для работы в среде Win32, что позволяет использовать прототип САПР ВС в операционных системах семейств Win9x и WinNT(NT, 2000, XP).

Модуль моделирования роутинга IpLAB подразделен на шесть основных блоков - интерфейсный, блок исходных данных, динамических данных, маршрутизации, алгоритмов и моделирования. Интерфейсный блок содержит модуль установки элементов сети, который отвечает за расстановку рабочих станций, серверов, коммутаторов, маршрутизаторов на сетевом пространстве; модуль описания сетевых компонентов, который предназначен для назначения взаимосвязей между сетевыми элементами; модуль управления сетевыми компонентами, который задает возможные разрешенные и возможно запрещенные направления взаимодействия между сетевыми устройствами; модуль визуализации, который отображает все процессы управления ВС. Блок исходных данных хранит структуру начальных данных всех элементов сети и каналов связи. Блок динамических данных хранит полную структуру данных всех подсетей телекоммуникационной ВС с четко и нечетко заданными параметрами. Блок маршрутизации содержит модуль установки параметров маршрутизации, который указывает на параметры в сети, влияющие на расчет метрик на каналах связи, модуль формирования таблиц маршрутизации, используя алгоритмы маршрутизации, отвечает за создание таблицы маршрутизации в каждом маршрутизаторе и ее перерасчет при изменении параметров узлов, каналов и сети в целом. Блок алгоритмов использует алгоритмы маршрутизации, применяемые в сетях, и алгоритм маршрутизации ВС с нечетко заданными параметрами. Блок моделирования содержит модуль формирования сетевого пакета, посылки пакета по сети, модуль анализа прохождения пакетов в сети, который собирает информацию наличия подсетей и просчитывает путь согласно построенным таблицам маршрутизации; модуль посылки пакета по сети, который посылает пакет по построенному пути, и модуль журнализации, который протоколирует все межсетевые процессы.

Модуль согласования прикладной процессной и транспортной схем ModLAN состоит из трех

основных модулей - интерфейсного, модуля оптимизации и модуля хранения данных. Интерфейсный модуль содержит в себе набор средств для редактирования проектируемой сети. Вся информация о проекте заносится в базовую структуру данных, за обработку которых отвечает модуль хранения данных. Через него происходит сохранение и загрузка файлов данных, а также обработка структуры в процессе редактирования.

Модуль оптимизации проекта состоит из моделирующей системы и реализации стандартного генетического алгоритма (СГА) (см.: Ярушкина Н.Г. Основы теории нечетких и гибридных систем. М.: Финансы и статистика, 2004; Батыршин И.З., Недо-секин А.О., Стецко А.А, Тарасов В.Б., Язенин А.В., Ярушкина Н.Г. Нечеткие гибридные системы. Теория и практика. М.: Физматлит, 2007). При отработке СГА во время расчета качества каждого очередного варианта размещения БРБ на структуре сети подключается моделирующая система, которая имитирует рабочую нагрузку в каждом варианте топологии ВС и позволяет подсчитать суммарные значения трафика и вычислительной загрузки сети.

Результаты моделирования ВС в процессе автоматизированного проектирования

Для вычислительного эксперимента был взят фрагмент телекоммуникационной ВС крупной проектной организации на одном из этапов ее развития. Полученные результаты (табл. 1) были использованы при переконфигурации маршрутизаторов корпоративной сети.

Табица 1

Результаты измерений трафика Тх до и после оптимизации

Трафик Ti Tlo

Время выполнения задачи 15 мин 25 сек 8 мин 45 сек

Общее время выполнения приложения 16 мин 55 сек 11 мин 50 сек

Общий исходящий/входящий трафик 127215/59442 байт 130851/64361 байт

Занимаемая полоса исходящего/входящего трафика 2996/1141 бит/сек 2825/1243 бит/сек

Потери пакетов исходящего/ входящего трафика 248/98байт 220/76байт

Процент потери пакетов исходящего/ входящего трафика 0,19/0,16 % 0,17/0,12 %

Измерения оптимизированного трафика Т1о показали, что время выполнения задач сократилось с 15 до 8 минут, а время работы приложения с 17 до 11 минут. Эффективность работы приложения наблюдалась уже со второй минуты. Потеря пакетов уменьшилась на 3 %.

Вычислительный эксперимент по размещению сервисов по топологической схеме ВС был проведен для фрагмента ВС, который насчитывал порядка 300 вычислительных машин. В сеть объеди-

нены отделы, связанные прежде всего с разработкой программного обеспечения, конструкторские, технологические отделы, отделы программистов и разработчиков, а также менеджеры по управлению этими подразделениями. Основой для ВС на глобальном уровне служит движение электронной инженерно-технической документации. На уровне подразделений сеть служит для распределенного ведения комплексных проектов различного оборудования, а также проектов программного обеспечения. Кроме этого, на уровне подразделений сеть позволяет вести централизованную распечатку документов.

Общий принцип построения ВС - иерархический. Каждое подразделение, имеющее несколько вычислительных машин, имеет свой маршрутизатор, отделяющий его в подсеть. Маршрутизаторы, в свою очередь, объединены в магистральную сеть, где коммутирующим модулем является мощный управляемый коммутатор. К магистральной сети подключен центральный сервер предприятия, который управляет маршрутизацией на магистральном уровне, а также является DNS-, WINS- и локальным WEB-сервером. В магистральной сети содержатся все серверы подразделений. В большинстве подсетей для коммуникации использованы коммутаторы. В подсетях крупных отделов применено одноуровневое каскадирование коммутаторов.

В целях изучения эффективности процесса оптимизации описанная структура прикладных процессов была сопоставлена со структурой локальной сети, исходя из реального расположения, существующего на предприятии. Для такого варианта размещения прикладных процессов было рассчитано значение целевой функции, которое было взято за сравнительную характеристику существующей сети. Затем неоднократно запускался процесс оптимизации заложенного в систему проекта сети. Эксперимент проводился несколько раз с различными параметрами СГА. Изменялся размер популяции, порог стабильности и коэффициент мутации. Данные о значениях целевой функции в процессе эволюционного поиска приведены в таблице 2, которая демонстрирует скорость сходимости СГА.

Таблица 2

Фрагмент ряда значения целевой функции СГА в экспериментах

Эволюционное время P=100, Элита=10, Мутация 0,9 P=500, Элита=100, Мутация 0,4 P=5000, Элита =2000, Мутация 0,4 P=100, Элита=10, Мутация 0,4 P=10000, Элита=3000, Мутация 0,4 P=50000, Элита=5000, Мутация 0,5

1 0,609375 0,5640625 0,54375 0,555 0,528125 0,5

2 0,584375 0,5640625 0,54375 0,555 0,5265625 0,495

99 0,45 0,48875 0,45 0,45 0,45 0,45

100 0,45 0,48875 0,45 0,45 0,45 0,45

Таким образом, разработана модель рабочей нагрузки на основе потоковых диаграмм; разработана методика и алгоритм слияния двух видов описаний сети: прикладного описания на уровне прикладных процессов и транспортной структуры сети. Разработана система проектирования корпоративных сетей с учетом моделирования маршру-

тизации в распределенных корпоративных сетях с использованием четких и нечетких параметров. Проведены вычислительные эксперименты по исследованию эффективности разработанной САПР ВС. Разработанная на основе данного подхода САПР ВС была отмечена медалью на Международном салоне изобретений в Женеве в 2006 г.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ СЕТЕВОЙ АРХИВ ЭЛЕКТРОННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ

А.М. Наместников, к.т.н.; Н.В. Корунова, А.В. Чекина

Решение задач информационного поиска (ИП) электронных информационных ресурсов (ЭИР) имеет сегодня существенную научную и практическую ценность. Для решения задач ИП ЭИР применяют специальный класс автоматизированных систем - информационно-поисковые системы (ИПС).

Существующие ИПС предлагают различную функциональность и технологичность для повышения качества и скорости поиска. К сожалению, большинство ИПС направлено на решение определенных задач: систематизация данных, поиск веб-ресурсов, классификация электронных ресурсов, управление электронными документами, управление потоками работ и т.п. Для управления любыми ЭИР и информацией об ЭИР используется отдельный вид ИПС - системы управления знаниями. Данный вид систем позволяет значительно расширить возможности коллективной работы, работ по управлению проектами и предлагает интеллектуальные средства для работы с информацией (по анализу, хранению, поиску и представлению).

Анализ программного обеспечения дает возможность утверждать, что отсутствуют универсальные автоматизированные средства и классификаторы, позволяющие систематизировать информационные ресурсы по любому основанию. Вместе с тем существуют отдельные отрасли человеческой деятельности, призванные решать задачи ИП, например, архивная и библиотечно-библиографическая деятельности, где накоплен богатый опыт хранения, индексации и поиска информации. Объединение опыта и современных технологий может существенно повысить качество информационного поиска.

В НПО «МАРС» (г. Ульяновск) находится в эксплуатации программное средство автоматизации деятельности архивной службы ЭИР. Была поставлена задача расширить функционал данного программного средства с целью автоматизации части функций архиваторов и интеллектуализации части процессов по управлению информацией.

Для построения интеллектуального сетевого архива (ИСА) ЭИР существующую систему управления БД необходимо дополнить модулем индексации и модулем кластеризации и классификации.

На модуль индексации возложены задачи предобработки текстовых документов или аннотаций к ЭИР и построение частотных словарей встречающихся терминов. Сохранение частотных таблиц необходимо производить в СУБД MS SQL 2005. В рамках модуля кластеризации и классификации на основе значений относительных частот должны создаваться предметно-ориентированные кластеры, которые организуются в виде иерархии. В процессе классификации выполняется задача соотнесения вновь заносимого ЭИР с определенным кластером.

Информационная система предполагает три группы пользователей: архивариус, проектировщик и администратор. Архивариус занимается систематизацией проектов, проектировщик производит занесение информационных ресурсов в БД и осуществляет их поиск. Администратор осуществляет настройку функциональности ИСА ЭИР.

Функция систематизации проектов, которую выполняет архивариус, включает в себя проверку пользователя, модификацию дерева классификации и модификацию кластеров. Проекты сохраняются в БД проектов. Функция занесения и поиска проектов, которая закреплена за проектировщиком, включает в себя проверку пользователя, занесение новых проектов, удаление и поиск проектов. Задача настройки функциональности, выполняемая администратором, включает настройку частотных словарей, настройку работы классификатора и кластеризатора.

Реализация интеллектуального сетевого архива

Модуль индексации представляет собой отдельный модуль программы, предназначенный для предварительного анализа ЭИР