Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Информационная система оценки живучести сетевых информационных систем, использующая построенные аналитические и процедурные модели
Специальность 05.25.05 - "Информационные системы и процессы, правовые аспекты информатики"
Винокуров Дмитрий Евгеньевич
Тамбов 2008
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Информационные системы и защита информации" Государственного образовательного учреждения высшего и профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет".
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Громов Юрий Юрьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент
Малышев Владимир Александрович
кандидат технических наук, доцент
Королева Наталия Александровна
Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего и профессионального образования "Воронежский государственный университет"
Защита диссертации состоится "12" сентября 2008г. в 13 час. на заседании диссертационного совета Д 212.260.05 в ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет" по адресу:
392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, Большой актовый зал.
Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.05 Селивановой З. М.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет".
Автореферат разослан "02"июля 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент Селиванова З.М.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Сетевая информационная система (СИС) представляет собой многоуровневую иерархическую структуру, включающую множество узлов, связанных между собой определенным образом. Такой конструкции присуще свойство уязвимости, которая определяется тем, что за счет многочисленных узлов и связей между ними (учитывая, что нормальное функционирование нескольких узлов иерархической сети возможно только при нормальном функционировании одного основного узла, называемого управляющим) нередко проявляется "каскадный эффект", когда сбой в одном месте провоцирует перегрузки и выход из строя других элементов.
Проектирование новых информационных систем (ИС) и развитие уже существующих связано с проблематикой принятия решений по использованию имеющихся сетевых структур: управлению потоками, распределению ресурсов между узлами. Перечисленные проблемы тесно связаны с задачей определения связности и живучести существующей или проектируемой ИС. Живучестью СИС называют чувствительность к повреждениям. Обычно, понятие живучести связывается с системами, подверженными нападению противника.
Для рассматриваемых систем характерно наличие не только объективной, но и субъективной неопределенности, когда некоторые параметры системы известны отдельным пользователям, но не известны лицу, принимающему решения (ЛПР) или другим пользователям. Ответственность за принятые решения обязывает аккуратно разграничить неопределенные и случайные неконтролируемые факторы: случайность должна быть теоретически обоснована (и подтверждена результатами применения статистических методов), имеющаяся информация о функциях распределения, используемых случайных величинах должна быть указана явно. Взаимная зависимость элементов СИС приводит к немарковости случайных процессов, протекающих в них.
Проблеме оценки живучести СИС посвящен ряд работ (Додонов А.Г., Кузнецова М.Г., Вишневский В.М., Белоцерковский Д.Л., Мельников Ю.Е., Сарыпбеков Ж.С., Малашенко Ю.Е., C. J. Colbourn, K. Sekine, H. Imai, S. Tani, Smith A. E. и др.). Разработаны аналитические модели, адекватно описывающие процесс расчета живучести СИС, тем не менее, в настоящее время актуальной является задача разработки аналитического описания, обобщающего полученные ранее результаты и позволяющего не только осуществить разработку новых методов проектирования и анализа СИС, но и ставить и решать задачи расчета живучести СИС большой размерности и сложной структуры.
Цель работы: построение информационной системы оценки живучести сетевых информационных систем. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ современных подходов, позволяющих оценить живучесть СИС на основе изучения ее графа и выбрать наиболее перспективные;
провести анализ существующего и предложить необходимое новое аналитическое и процедурное обеспечение для оценки живучести СИС;
на основе модели искусственной нейронной сети (ИНС) разработать аналитическую и процедурную модели вычисления живучести СИС, имеющих сложную (гибридную) топологию и большую размерность;
на основе использования разработанного аналитического и процедурного обеспечения предложить структуру информационной системы оценки живучести СИС (ИСЖС);
Объект исследования. Сетевая информационная система, испытывающая воздействие внешних неблагоприятных факторов.
Предмет исследования. Информационная система оценки живучести сетевых информационных систем.
Методы исследования. Для решения перечисленных задач в работе использованы методы: системного анализа, математической статистики, аналитического моделирования, теории нечетких множеств, теории вероятностей и теории графов.
Научная новизна работы. заключается в следующем:
· на основе модели искусственной нейронной сети (ИНС) разработана аналитическая модель оценки живучести СИС, имеющих сложную (гибридную) топологию и большую размерность;
· на основании аналитического обеспечения оценки живучести СИС разработана процедурная модель, основанная на модели обратного распространения ошибки.
· предложен логико-лингвистический аппарат для выбора аналитической модели расчета живучести СИС, позволяющий многократно увеличить скорость оценки живучести СИС за счет выбора аналитической модели расчета согласно критериям (k-связность, диаметр, топология) живучести графа СИС;
· предложена структура информационной системы оценки живучести СИС, включающая модуль анализа текущего состояния исследуемой СИС, блок анализа исходных данных (отвечающий за выбор процедурной модели оценки живучести СИС и параметры и правила выбора, передаваемые в модуль расчета), блок синтеза сетевой структуры с улучшенной живучестью по выбранному критерию.
Практическая значимость полученных результатов. Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных аналитических и процедурных моделей при проектировании новых и анализе уже существующих сетевых информационных систем инженерами-проектировщиками, а также в использовании полученной в ходе исследования структуры информационной системы для создания нового класса подобных систем и комплексов прикладного программного обеспечения на их основе.
Полученные в ходе работы результаты использованы:
при обучении студентов специальности "Информационные системы и технологии" (ИС) на факультете информационных технологий Тамбовского государственного технического университета (ТГТУ), что позволило повысить качество и эффективность учебного процесса;
при обучении студентов специальностей "Электроснабжение промышленных предприятий" кафедры "Электрооборудование и автоматизация" ТГТУ;
при разработке учебно-методических пособий, лабораторных работ и обучающих программных комплексов по дисциплинам "Теория информационных процессов и систем", "Информационные сети" и "Теория информации" на кафедре "Информационные системы и защита информации" ТГТУ;
Реализация результатов работы осуществлена в опытно-проектировочных работах по оценке и улучшению показателя живучести СИС в рамках существующей концепции развития сетевых сервисов, выполненных на базе Тамбовского филиала ОАО "ЦентрТелеком" и в ряде мероприятий (анализ живучести существующей структуры СИС, проведение имитационного моделирования функционирования топологии СИС), направленных на улучшение живучести сети передачи данных ОАО "Пигмент".
Положения, выносимые на защиту:
· аналитические и процедурные модели оценки живучести СИС, функционирующей в условиях воздействия внешних неблагоприятных факторов (НФ), включающие полиномиальную и потоковую составляющие и использующие ИНС. Полиномиальная составляющая модели позволяет оценить живучесть СИС по критерию k-связности графа, т.е. структурную живучесть СИС, тогда как потоковая составляющая модели позволяет оценить живучесть СИС согласно изменению пропускной способности ребер графа, соответствующих каналам связи (КС) в СИС;
· логико-лингвистический аппарат для выбора аналитической модели расчета живучести СИС, в соответствии с типом воздействия НФ и критериями живучести СИС, определенными для конкретной топологии графа СИС из имеющихся в базе знаний;
· информационная система оценки живучести СИС (ИСЖС), включающая в себя блок анализа исходных данных, отвечающий за выбор процедурной модели оценки живучести СИС, параметры и правила выбора, передаваемые в модуль оценки живучести, блок синтеза СИС с улучшенной живучестью по выбранному критерию, позволяющая проводить имитационное моделирование изменения сложных СИС, находящихся под воздействием внешних НФ на ЭВМ с последующей визуализацией результатов моделирования, а также хранить большое количество вариантов параметров в памяти ЭВМ и быстро выбирать из них нужные по определенным критериям на всех стадиях проектирования при расчете оптимальных параметров.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены и обсуждены на Всероссийских и международных научных конференциях “Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования" (VII Всероссийская научно-техническая конференция, Тамбов 2004), “Формирование специалиста в условиях региона Новые подходы" (IV и V Всерос. межвузов. науч. конф., Тамбов, 2004 и 2005), ”Наука на рубеже тысячелетий (Международная конференция Тамбов 2004), на семинарах кафедры “Информационных систем” ТГТУ и кафедры “Прикладная информатика" Тамбовского филиала Московского государственного университета культуры и искусств.
Объем и структура работы. Диссертация, общий объем которой составляет 243 страницы (основной текст - 212 страниц) состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной научной литературы, включающего 272 наименования научных трудов на русском и иностранном языках и 11 приложений. Диссертация содержит 52 иллюстрации и 3 таблицы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, из них 15 статей, в том числе 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 3 тезисов докладов на региональных и Всероссийских научных конференциях.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы, поставлены задачи, решения которых позволяют достичь цели исследования.
В главе 1 "Проблема живучести сетевых информационных систем и ее изложение в научной литературе" на основе изучения литературных источников проведен анализ информационных и экспертных систем построения топологий сетей и оценки их живучести, многочисленных публикаций, в которых отражены технологии, логическая, физическая и программная структура современных СИС. Проанализированы основные подходы к обеспечению живучести СИС, за основу для разработки аналитического и программного обеспечения выбран функциональный подход, как наиболее неизученное направление обеспечения живучести, заключающееся в эффективном управлении ресурсами системы, исправно функционирующими после воздействия внешних неблагоприятных факторов (НФ) на СИС, что позволяет обеспечить выполнение поставленной цели. Решение этой проблемы включает в себя следующие задачи:
1) реконфигурация структуры, т.е. перекоммутация связей между исправно работающими элементами системы с учетом структуры и требований к реализуемым заданиям;
2) изменение функций элементов с учетом ухудшения их технических характеристик и соответствующих корректировок целей функционирования системы после воздействия НФ;
3) оптимальное перераспределение ресурсов системы под множество функций, определенных с учетом реальных значений показателей живучести системы;
4) диспетчеризация, т.е. управление процессами реализации заданий и режимами функционирования системы.
В главе 2 "Аналитическое обеспечение информационной системы оценки живучести сетевых информационных систем" показана необходимость создания ИСЖС и приведены общая (рис.1) и функциональная (рис.2) схемы ИСЖС, дана их расшифровка. ИСЖС состоит из следующих компонент: