Software & Systems

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 проектирования 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 автоматизированный 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: DFD-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., Недосекин 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 DFD 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 Т₁ до и после оптимизации

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 маршрутизации 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.