Курсовая работа на тему Анализ статических свойств сетей Петри и моделирование распределенных информационных систем НИР4 2

Оглавление


ВВЕДЕНИЕ 3
1. АНАЛИЗ НАУЧНОЙ НОВИЗНЫ И ПРАКТИЧЕСКОЙ ЗНАЧИМОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ 10
2. ВЫЯВЛЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ 12
3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УСТРАНЕНИЮ ВЫЯВЛЕННЫХ НЕДОСТАТКОВ ПО ИССЛЕДУЕМОЙ ПРОБЛЕМЕ 14
4. ПРЕДПОЛАГАЕМЫЙ ЛИЧНЫЙ ВКЛАД В РАЗРАБОТКУ ТЕМЫ 18
4.1. Реализация и внедрение E6 сетей 18
4.2. Стратегия внедрения Е6 сетей 18
4.3. Организация шлюзов Е6 и TCP/IP сетей 22
4.4. Принципы программной реализации стека Е6 25
4.5. Экспериментальная реализация стека Е6 в ядре ОС Linux 26
4.5.1. Прикладные интерфейсы 27
4.5.2. Интерфейсы канального уровня 31
4.5.3. Внутренние структуры данных и программы 33
4.6. Выводы 39
5. НАПРАВЛЕНИЕ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 42
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 44


ВВЕДЕНИЕ

Объектом исследования являются процессы функционирования сетей с коммутацией пакетов.
Предметом исследования является система адресации глобальных сетей, стек сетевых протоколов, алгоритмы доставки пакета, архитектура и программное обеспечение сетевых устройств.
Целью работы являются создания унифицированной системы адресации глобальных сетей с пакетной коммутацией, которая обеспечивает гарантированное качество обслуживания, повышает полезную производительность, расширяет адресное пространство.
Предложена новая система адресации глобальных сетей Е6 и ее модификации; разработан соответствующий стек протоколов и спецификации использованных устройств и программного обеспечения. Единый сетевой адрес Е6 с длиной 6 октетов и иерархической структурой используется вместо IP адресов и MAC адресов; упразднены протоколы TCP и IP; для гарантированной доставки информации использованы средства Ethernet LLC2. Получены оценки повышения полезной производительности в 1,6 раз и сокращения времени доставки пакета в 4 раза; пространство сетевые адресов расширено в 16 тыс. раз относительно IP. Разработаны модели Е6 сетей с дистанционно-векторной маршрутизацией и временным отключением устройств в виде раскрашенных сетей Петри. Выполнено моделирования PBB сетей и сравнительный анализ полученных результатов относительно Е6 адресации. Найдено, что существенным недостатком технологии PBB являются непредвиденные временные перегрузки сети, обусловленные широковещательными штормами, что делает невозможным гарантированное качество обслуживания. Разработана стратегия практического внедрения Е6 сетей и организации шлюзов с TCP/IP сетями. Выполнена экспериментальная программная реализация стека протоколов Е6 в среде ядра операционной системы Linux и наблюдение передачи Е6 пакетов в сети с помощью анализаторов трафика. Результаты работы предназначены для применения в качестве новой технологии глобальных сетей. Предлагается продолжить исследование и выполнить промышленную реализацию Е6 сетей, что выведет Россию в лидеры информационнокоммуникационных технологий.
В настоящее время сложились определенные проблемы дальнейшего развития глобальных сетей, обусловленные системой адресации и алгоритмами доставки пакетов, для решения которых было предложено IPv6 для расширения адресного пространства, MPLS и PBB для ускоренной доставки пакетов, многочисленные методы инжиниринга трафика для обеспечения качества обслуживания.
Среди основных тенденций развития современных сетей следует отметить следующие:
преобладающее применение пользователем безадресного доступа и имен ресурсов (URL, DNS);
доминирование на прикладном уровне приложений стека протоколов TCP/IP в Интернет/Интранет;
развитие дополнительных технологий ускоренной доставки пакетов в магистралях (MPLS, PBB);
доминирование на канальном (физическом) уровнях технологии Ethernet и ее расширений.
Однако технология инкапсуляции IP пакетов в кадры Ethernet остается в основном такой, как это было представлено в роботах Джона Постела, Дэвида Плюмера и Чарлза Хорнига в 1980-1984 годах. Новые технологии, такие как MPLS и PBB, лишь дополняют предыдущие стандарты. Отображение адресов исторически играло положительную роль для интеграции различных канальных технологий в гетерогенных сетях, но в настоящее время в условиях доминирования на канальном уровне технологии Ethernet является в большинстве случаев избыточным. Основным препятствием на пути обеспечения гарантированного качества обслуживания является отображение адресов, воплощенное в протоколах ARP/RARP, которые могут вносить существенную задержку ко времени доставки пакета, а также широковещание и алгоритмы покрывающего дерева, используемые для доставки кадра Ethernet.
Основными проблемами развития современных сетей являются:
обеспечение гарантированного качества обслуживания;
недостаток адресов;
снижение полезной производительности;
переполнение адресных таблиц;
широковещательные штормы;
неиспользование работоспособных каналов за пределами покрывающего дерева.
Задачи настоящей работы – разработка новых унифицированных систем адресации сетей, которые позволяют решить указанные проблемы и обеспечить гарантированное качество обслуживания, что обуславливает актуальность темы исследования.
Предложена новая система Е6 адресации сетей, и ее модификации Е6-4, Е4Р, которые позволяют избежать отображения адресов, повысить полезную нагрузку кадров, расширить адресное пространство сети.
Представлена полезная модель нового способа передачи данных в Е6 сети с замещением сетевого и транспортного уровней универсальной технологией канального уровня, на которую получен соответствующий патент Украины.
Разработан новый стек протоколов Е6, определены интерфейсы с прикладным и канальным уровнями эталонной модели взаимодействия открытых систем, а также функции промежуточного уровня Согласования Е6, который обеспечивает использование стандартных средств Ethernet LLC1/2 вместо протоколов UDP/TCP соответственно.
Разработаны принципы реализации Е6 сетей на основе новой схемы доставки пакета (кадра), которая имеет существенные преимущества перед IPoverEthernet, состоящие в отсутствии повторной инкапсуляции пакетов и отображения адресов, а также в возможности принятия маршрутного решения по 6-ти первым байтам кадра.
Разработан дистанционно-векторный протокол динамической маршрутизации Е6 сетей E6RIP на основе соответствующего протокола RIP, который позволяет автоматически заполнять адресные таблицы устройств и обеспечивает адаптацию к изменяющейся структуре сети без использования широковещания.
На основе анализа особенностей формирования и передача пакетов в сети определены основные преимущества системы адресации Е6 перед IP адресацией, среди которых отмечено увеличение адресного пространства, сокращение заголовков, ускорение алгоритмов обработки пакета на устройстве.
С помощью расчетов полезной нагрузки пакетов показано, что система адресации Е6 обеспечивает большую эффективность передачи полезной информации в сети относительно IP– адресации; наилучшие результаты получены для небольших пакетов телефонии, где производительность является вдвое большей.
На основе анализа архитектур современных телекоммуникационных устройств и их алгоритмов обработки пакетов получены выражения для оценки времени обработки E6 и IP пакетов на устройстве и времени доставки пакета в сети, которые являются одними из важнейших показателей качества обслуживания.
Для оценки влияния очередей, которые возникают на сетевых устройствах, построена модель в виде цепи Маркова. Для описания цепи с бесконечным множеством состояний применена параметрическая форма представления.
Полученные сравнительные оценки качества обслуживания Е6 и IP сетей, свидетельствуют о существенных преимуществах системы адресации Е6 особенно для приложений реального времени с жесткими временными ограничениями, так как максимальное время доставки Е6 пакетов меньше в 19 раз. Среднее время доставки Е6 пакета меньше в 4 раза, что свидетельствует об определенных преимуществах Е6 для приложений телефонии и телеконференций.
Исследована зависимость полученных оценок от основных параметров, и указано, что преимущества Е6 усиливаются при росте длины маршрута в сети, уменьшении эффективности кэша (в магистралях), повышении производительности устройств.
Разработана модель коммутирующего маршрутизатора Е6 со средствами динамической маршрутизации E6-RIP, которая позволяет моделировать Е6 сети произвольной структуры и может быть использована как спецификация КМЕ6 и E6-RIP для дальнейшей программно-апаратной реализации.
Разработаны средства временного отключения устройств при моделировании Е6 сетей, которые позволяют оценить способности протокола E6-RIP по адаптации к изменяющейся структуре сети.
Выполнено моделирования ряда Е6 сетей с изменяющейся структурой; модели дополнены измерительными фрагментами для оценки производительности, качества обслуживания сети и служебной нагрузки, создаваемой протоколом динамической маршрутизации E6-RIP. Подтверждена хорошая способность протокола E6-RIP по адаптации к изменяющейся структуре сети, а также выбраны его основные параметры.
Выполнен анализ технологии магистральных мостов провайдера PBB относительно доставки кадров и использования адресных таблиц, для чего построена общая модель коммутатора с динамическим ведением адресных таблиц, а также модели четырех разновидностей портов коммутатора: традиционного, магистрального PBB, С-порта и В-порта граничного PBB.На основе анализа результатов моделирования PBB сети найдены определенные недостатки PBB технологии, обусловленные чувствительностью к времени старения записей адресных таблиц и широковещанием, что затрудняют обеспечение заданного качества обслуживания. Выполненные сравнения подтверждают ряд существенных преимуществ Е6 адресации относительно технологии PBB.
Разработана стратегия внедрения Е6 сетей, которая базируется на постепенном вытеснении TCP/IP сетей и содержит следующие этапы: программная реализация стека Е6, реализация программных и аппаратных средств перенаправления пакетов (маршрутизации), создание шлюзов Е6 и TCP/IP сетей.
Разработаны принципы функционирования шлюзов Е6 и TCP/IP сетей на основе модифицированной технологии трансляции адресов, построена схема организации шлюзов и расширенная система доменных имен для обращения к ресурсам другой сети с использованием суффикса доменного имени.
Разработаны принципы программной реализации стека протоколов Е6, которые предусматривают реализацию независимую от существующих стеков в среде различных операционных систем, обеспечение интерфейсов с прикладным уровнем непосредственно по стандартам IETF, дальнейшее создание шлюзов с существующими сетевыми технологиями.
Выполнена экспериментальная реализация части спецификаций стека Е6 с прикладными интерфейсами UDP в среде ядра операционной системы Linux. Отработано взаимодействие с внутренней средой ядра Linux. Путем выполнения Е6 приложений и