ГЛАВА 8. Оптимизация топологической структуры компьютерной сети

8.1 Принципы топологического проектирования сетей передачи информации

Первым этапом проектирования компьютерной сети является выбор технических средств и системы протоколов (включая способы коммутации и доставки данных в региональной и базовой сети). Второй этап проектирования требует решения совокупности сложных взаимосвязанных задач, к которым относятся: оптимизация пропускной способности каналов связи; выбор маршрутов; оптимизация топологической структуры; выбор методов управления потоками и определение параметров управления; анализ объемов буферной памяти узлов коммутации и маршрутизации и выбор стратегии буферизации при перегрузках и т.д.

Формально задача проектирования глобальной сети сводится к отысканию минимума функционала приведенной стоимости

при наличии ограничений на вероятностно-временные и структурные характеристики сети

и требовании принадлежности множества вариантов архитектуры сети , удовлетворяющих ограничениям (8.2), к области технически реализуемых решений

Здесь U - векторная величина, отражающая параметры сетевой нагрузки, включая интенсивности потоков сообщений между каждой парой узлов коммутации сети, распределение длин сообщений, приоритетность потоков сообщений и т.д.; - векторная величина, представляющая собой совокупность параметров технических средств, включая производительность узлов коммутации и каналообразующей аппаратуры, надежность технических средств, достоверность передачи информации и т.д.; Y - векторная величина, отражающая параметры логической структуры сети.

Средством решения описанной общей задачи проектирования является создание комплекса математических моделей (среди которых важное место занимают модели сетей МО) и программ проектирования компьютерной сети. При этом высокое качество проектирования может быть достигнуто только в том случае, когда отдельные методы и модели объединены на основе системного подхода в единую систему проектирования, охватывающую все или большую часть задач проектирования.

Наличие трудно формализуемых фактов и ограничений, приближенность некоторых исходных данных и многокритериальный характер общей задачи проектирования вызывает необходимость использования интерактивного (диалогового) режима проектирования. Такой режим позволяет объединить в едином процессе современные математические методы и алгоритмы оптимизации с опытом и интуицией проектировщика. Это обеспечивает проектировщику возможность контроля за ходом проектирования и активного вмешательства в процесс поиска оптимальных решений.

Практическая невозможность постановки и решения в рамках одной математической задачи всего комплекса проблем проектирования сети приводит к необходимости использования процедуры, основанной на декомпозиции. Такая декомпозиция возможна как на структурном уровне, так и на уровне решения отдельных задач проектирования и позволяет перейти от задачи большой размерности к последовательности задач меньшей размерности.

Декомпозиция на структурном уровне означает, что проектирование компьютерной сети сводится к независимому проектированию ряда подсетей при соблюдении условий совпадения или близости оптимальных решений задачи проектирования сети и соответствующих решений для подсетей.

К числу таких условий относятся следующие: подсети по области ограничений должны быть независимы; целевая функция сети является строго монотонной функцией от целевых функций подсетей [84].

В качестве критерия при проектировании компьютерной сети часто выбирают обобщенный экономический критерий - приведенные затраты, включающие стоимость аренды линий связи в базовой и региональных сетях, а также приведенную стоимость УК. Другие критерии (среднее время задержки, надежность и т. д.) используются как ограничения при решении задачи проектирования. Очевидно, что при таком выборе критерия и ограничений указанные выше условия выполняются при декомпозиции глобальной компьютерной сети на базовую и региональные сети в силу аддитивности ограничений и целевой функции, представляющей собой сумму приведенных затрат для базовой и региональных сетей. Это позволяет осуществлять независимо проектирование базовой и региональных сетей.

Декомпозиция на уровне проектирования базовой и региональных сетей означает создание многоуровневой иерархии взаимосвязанных моделей, анализ которых позволяет получить решение общей задачи проектирования для каждой из таких сетей и тем самым в соответствии с принципом независимости решение задачи проектирования компьютерной сети в целом.

Таким образом, в основу проектирования компьютерной сети положены следующие общие принципы: интерактивности; независимости; многоуровневого моделирования, а также принцип адаптивности и развития, смысл которого состоит в следующем. Создание столь крупного проекта неизбежно связано с поэтапным вводом в эксплуатацию и развитием сети. Соответственно при проектировании необходимо учитывать динамику развития сети, возможность проектировать сеть при изменяющихся исходных данных и параметрах с минимальными затратами на изменение моделей и соответствующих программ. Более того, для решения одной и той же задачи проектирования необходим набор математических моделей, позволяющих находить как точное решение для сети небольшой размерности (вводимой на первых этапах), так и приближенное решение для сетей большой размерности.

Наряду с общими принципами непосредственно при проектировании базовой и региональных компьютерных сетей используется ряд частных принципов (например, принцип двухсвязности), описание которого дается в следующих разделах.

Описанные выше принципы проектирования компьютерной сети были положены в основу разработки системы автоматизации проектирования (см. рис. 8.1), представляющей собой совокупность взаимосвязанных глобальных и локальных моделей вычислительных сетей, реализованных в виде единого программного комплекса [30,57,76]. Она включает: блок исходных данных; подсистему выбора топологии, маршрутов и пропускных способностей каналов связи; подсистему анализа потоков и задержек в сети с межконцевым механизмом управления потоком и выбора параметра управления; подсистему анализа надежости; подсистему анализа буферной памяти; подсистему анализа протоколов; подсистему имитационного моделирования вычислительных сетей; подсистему проектирования беспроводных сетей; блоки анализа и выбора алгоритма проектирования.

Каждая из перечисленных подсистем базируется на соответствующих библиотеках программ, реализующих как известные, так и оригинальные точные и приближенные методы исследования моделей компьютерных сетей. Выбор метода решения осуществляется на основании анализа параметров сложности модели сети и формализованных характеристик метода. Диалоговая процедура проектирования сети, основанная на многоуровневой иерархии моделей, представляет собой сходящийся итерационный процесс. Модели каждого последующего уровня учитывают большее количество характерных черт проектируемой сети при фиксации параметров, определенных на предыдущих уровнях. Если полученные на определенном этапе проектирования параметры сети не удовлетворяют требованиям технического задания, то осуществляется повторный расчет на всех предыдущих этапах с изменением соответствующих ограничений.

Система автоматизации проектирования является открытой и позволяет автономно использовать отдельные подсистемы и их совокупности, а также подключать новые подсистемы. С целью облегчения работы пользователей предусматриваются диалоговый режим и использование машинной графики.

В заключение отметим, что пакет программ расчета сетей МО играет важную роль в системе автоматизации проектирования и используется для решения практически всех задач проектирования сети.

(см. скан)

Рис. 8.1. Система автоматизации проектирования компьютерных сетей