BC/NW 2011; №1 (18):8.3

ТРИ ВЗАИМОСВЯЗАННЫЕ МОДЕЛИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ СТРУКТУРУ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

Л.И. Абросимов

Московский энергетический институт (Технический университет)

AbrosimovLI@mpei.ru

 

В статье на базе общего подхода рассматривается система связанных формальными правилами перехода моделей топологических, логических и функциональных структур вычислительной сети.

 

1.Введение

   Вычислительная сеть (ВС) – сложный объект, в котором большое количество территориально распределенных вычислительных и коммуникационных устройств соединены линиями связи. В современном мире значение  ВС при обработке информации трудно переоценить. К информационным услугам, предоставляемым средствами ВС, предъявляются разнообразные, достаточно высокие требования.  Однако, для обеспечения необходимого качества информационно-вычислительного сервиса требуется успешно разрешить проблемы, возникающие на различных стадиях жизненного цикла ВС, таких как проектирование, эксплуатация, модернизация и развитие.

   К основным проблемам, возникающим на стадиях проектирования и модернизации, относятся трудности применения и использования автоматизированных средств проектирования ВС, вызванные тем, что в настоящее время для отображения  схем и структурных описаний используются средства VISIO, которые не позволяют применять эти графические отображения в качестве исходной информации для решения задач по оптимизации топологии и синтеза ВС по критериям, учитывающим требования к надежности, производительности и т.п.

   На стадии эксплуатации ВС основными проблемами являются:

- постоянное отставание документирования ВС от ее реального состояния, что связано с трудоемкостью внесения изменений;

- трудностями диагностирования и локализации неисправностей ВС, так как мониторинг сети обеспечивает контроль на логическом уровне, а в детальное описание топологии, выполненных в виде рисунков, корректировка производится с запаздыванием.

   Анализ публикаций, в которых рассматриваются подходы к решению отмеченных проблем, показывает, что одной из важных задач построения ВС, обеспечения её нормального функционирования, а также анализа функциональных характеристик является документирование всех устройств в сети.

В [1-2] описывается подход к документированию сети при котором строятся несколько таблиц, в которые заносится наиболее важная информация по всем установленным устройствам ВС: маршрутизаторам, коммутаторам, рабочим станциям, серверам. Однако при таком документировании отсутствует описание линий связи между устройствами, а также отсутствует описание типов устройств. Для представления линий связи предлагается вручную рисовать топологию физической сети, что при количестве устройств большем 100 является трудоемкой выполнимой задачей.

Пример корпоративной вычислительной сети представлен на рисунках 1 и 2

         Рис. 1. Здания корпорации

 

         Рис.2. Изображение топологической структуры корпоративной ВС в здании1.

 

Вторым подходом для описания структуры сети является использования программных средств управления активным оборудование. В качестве наиболее используемых систем можно выделить HP OpenVeiw NNM [3-4] и CiscoWorks LMS [5-7]. Эти системы позволяют автоматизировать получения базы по всем устройствам в сети, но при этом не предоставляют информации по физическому расположению устройств ВС, не фиксируют пассивные устройства и типы каналов связи.

2. Постановка задачи

   Цель проводимых исследований состоит в разработке формализованного описания структуры ВС, которое предназначено для использования в качестве исходных данных при проектировании, эксплуатации и модернизации.

   Анализ практически используемых описаний структур ВС позволил установить следующие требования:

1) в качестве формализованного описания структур ВС целесообразно использовать матрицы и списки;

2) для согласования описания структуры ВС с часто решаемыми прикладными задачами необходимо использовать три формы записи:

- матрицу Т топологической структуры,

- матрицу L логической структуры,

- матрицу F функциональной структуры.

3. Формат матрицы Т

   Матрица Т должна отображать все физические элементы ВС, к которым относятся устройства У (рабочие станции, серверы, коммутирующие устройства) и линий связи Л.

Устройство , характеризуется:

- типом , где Ω – множество типов У, установленных в ВС,

- идентификатором А, определяющим местоположение У.

Например: повторители, концентраторы (hub) имеют тип устройства ω=2; коммутаторы имеют тип устройства ω =3, маршрутизаторы (router) имеют тип устройства ω =4; серверы(server) имеют тип устройства ω =5; рабочие станции имеют тип устройства ω =6.

Полный перечень типов ω устройств составляется для каждой ВС и учитывает ее особенности.

Для того, чтобы идентификатор А позволял определять местоположение У, используется векторная запись: А=а₁,а₂,..а_l,..а_L, где а_l – порядковый номер уровня детализации местоположения узла (l=).

Например, если для описания устройств ВС индикатор А использует L=3, то этому соответствует  а₁ – номер этажа, а₂ – номер комнаты на этаже, а₃ – номер устройства в комнате.

Важной характеристикой У_А является также множество R разъемов.

Таким образом, топологические параметры  можно представить в виде списка записей:{У_А}={( а₁,а₂,..а_l,..а_L), ω,R}.

При описании соединения устройств ВС при топологическом описании используются два понятия: линия связи и канал связи.

Линия связи (Л) – это физические средства, обеспечивающее соединение двух разъемов устройств. Каждая Л характеризуется типом , где Ξ – множество типов Л.

В качестве примера типов q линии связи можно рассматривать: коаксиальный кабель (q=1), витую пару (q=2), радиолинию (q=3).

Канал связи (К) – это набор функциональных средств, обеспечивающий обмен данными по линии связи в соответствии со средствами доступа и протоколом передачи. Каждый К характеризуется типом , где Γ – множество типов К.

В качестве примера типов γ каналов связи можно рассматривать: симплексный К (γ=1), полудуплексный К (γ=2), дуплексный К (γ=3), общая шина (γ=4).

Полный перечень типов q и γ линий и организованных по ним каналов связи составляется для каждой ВС и учитывает ее особенности.

Местоположение каждой линий связи определяется парой разъемов, которые эта линия соединяет. В соответствии с принятыми идентификаторами устройств линия связи, соединяющая разъемы А.k и B.r , должны иметь составной идентификатор А.k-B.r, который описывает топологию соединения двух разъемов.

Таким образом, топологические параметры  можно записать  в виде списка записей {Л}={(А.k-B.r),q,γ}.

На основании списков {У} и {Л} можно сформировать матрицу Т топологической структуры, в которой

                   (1)

Успешное и эффективное применение списков {У}, {Л} и матрицы Т становится возможным, так как разработаны и реализованы простые процедуры человеко-машинного интерфейса, обеспечивающие доступ и визуальный контроль их формирования. [8]

Пример корпоративной вычислительной сети представлен на рисунке 3.

 

Рис.3 Пример индикаторов топологической структуры

 

4. Формат матрицы L

   Матрица L предназначена для отображения узлов, соответствующих тем устройствам, представленным в матрице Т, которым в ВС присвоены логические имена, адреса и номера интерфейсов.

Множество узлов U, отображаемых в матрице L, является подмножеством устройств У, описываемых в топологической матрице Т, поэтому каждому узлу U_A соответствует устройство У_А.

Для устройств и узлов используется одна и та же система индикаторов, поэтому параметры узлов  можно представить в виде списка записей: {U_А}={( а₁,а₂,..а_l,..а_L),ω,R}.

Для описания логического соединения узлов, соответствующих ВС, используются дуги D, которые могут быть взвешены в соответствии с выбранной метрикой маршрутизации.

Дуги D отображают наличие соединений между узлами U_A и U_В организованных как по прямым, так и по нескольким линиям связи, соединенным через коммутирующие устройства, которые не вошли в состав узлов логического описания ВС. Местоположение каждой дуги определяется индикаторами А и В соответствующих узлов U_A и U_В. Основным параметром дуги D является тип γ канала связи, организованного между узлами U_A и U_В.

Следовательно, параметры дуг  записываются в виде списка записей {D}={(А-B)γ}.

На основании матрицы Т, списков {U} и {D} можно сформировать матрицу L логической структуры, в которой

                                     (2)

Процедура преобразования топологических записей{У},{Л} и Т в логические записи{U},{D} и L предусматривает выполнение следующих этапов:

- формирование из списка{У} списка {U} на основании анализа типов ω устройств;

- формирование из списка {Л} списка {U} на основании анализа типов ω устройств, типов q линий и типов γ каналов связи.

Установлено, что из матрицы Т можно получить матрицу L, используя конечный набор правил преобразования.

Пример логической структуры ВС сети представлен на рисунке 4

Рис. 4 Пример логической структуры

 

 

4. Формат матрицы F

   Матрица F предназначена для отображения функциональных элементов Е, соответствующих устройствам У и линиям Л, которые задерживают транзакции при обработке и оказывают существенное влияние на производительность ВС. Например, к устройствам, не влияющим на производительность следует отнести патч-панели (w=1), хабы (w=2).

Каждый Е описывается соотношениями моделей массового обслуживания, является ориентированным и имеет вход (1) и выход (2). Подмножество ЕУ⊂Е является подмножеством элементов отображающих У и каждый элемент Е_А подмножества ЕУ имеет идентификатор А. Для устройств и элементов используется одна и та же система индикаторов, поэтому параметры элементов Е_А ВС можно представить в виде списка записей: {Е_А}={(а₁,а₂,..а_l,..а_L), ω}.

Подмножество ЕК⊂Е является подмножеством элементов отображающих каналы К и каждый элемент Е_К подмножества ЕК имеет идентификатор (А.k-B.r). Для элементов Е_К, линий и каналов связи используется одна и та же система индикаторов, поэтому параметры элементов  можно представить в виде списка записей:

 {Е_К}={(А.k-B.r), q,γ }.

Для формирования матрицы F необходимо использовать множество ES переходов, отображающих соединение выходов (2) элементов подмножеств ЕУ с входами (1) элементов подмножества ЕК и соединение выходов (2) элементов подмножеств ЕК с входами (1) элементов подмножества ЕУ. Параметры множества ES переходов можно представить в виде двух форматов списков записей: {Е_S}={A(А.k-B.r)} или {Е_S}={(А.k-B.r)A}.

На основании матрицы Т, списков {Е_А},{Е_К} и {Е_S} можно сформировать матрицу F функциональной структуры, в которой

 

 

       (3)

Пример корпоративной вычислительной сети представлен на рисунке 5

 

   Рис. 5. Пример функциональной структуры ВС

 

Заключение

Матрица Т может быть использована:

- для формирования и актуализации всех процессов, связанных с документированием ВС,

- для компактного хранения детального описания структуры ВС и внесения изменений при модернизации,

- для диагностирования неисправностей,

- для решения задач выбора топологии, прокладки кабельных линий связи и размещения оборудования,

- при решении задач материального учета установленного оборудования.

Матрица L может быть использована:

- для решения задачи выбора кратчайших маршрутов,

-для формирования доменов, объединяющих технологически связанные подразделения,

при распределении прав доступа и организации управления доступом к ресурсам ВС.

Матрица F позволяет строить аналитическую модель ВС, которая позволит:

- оценить производительность ВС,

- определить узкие места, снижающие производительность ВС,

- осуществить формирование и выбор эффективных решений при модернизации ВС.

 

Литература

[1] А. Семенов Проектирование и расчет структурированных кабельных систем и их компонентов Изд-во: ДМК-Пресс,  2008, 416 с

[2] Amir S. Ranjbar. CCNP Cisco Internetwork Troubleshooting (CIT). Cisco Press. 2003. Pages: 336. ISBN-10: 1-58720-081-3; ISBN-13: 978-1-58720-081-6.

[3] John Blommers. OpenView Network Node Manager: Designing and Implementing an Enterprise Solution. Prentice Hall PTR. 2000. ISBN-10: 0130198498.

[4] HP Network Node Manager

https://h10078.www1.hp.com/cda/hpms/display/main/hpms_content.jsp?zn=bto&cp=1-11-15-119^9684_4000_100__

[5] CiscoWorks LAN Management Solution

http://www.cisco.com/en/US/products/sw/cscowork/ps2425/index.html

[6] Amir Ranjbar, Keith Hutton. CCDP Designing Cisco Network Architectures (ARCH). Cisco Press. 2004. Pages: 696. ISBN-10: 1-58705-185-0; ISBN-13: 978-1-58705-185-2.

[7] Alexander Clemm. Network Management Fundamental. Cisco Press. 2006. Pages: 552. ISBN-10: 1-58720-137-2; ISBN-13: 978-1-58720-137-0.

[8] Leonid Abrosimov, Sergey Kalashnikov, Matip Essounga Lazare.

Method of the constructing matrix writing of the topological structure of computing networks. Third International Conference on Dependability Computer Systems DepCoS-RELCOMEX 2008.ISBN 978-0-7695 3279-3 pp. 65-72