На правах рукописи

КРЯЖЕНКОВ КОНСТАНТИН ГЕННАДЬЕВИЧ

Методы, алгоритмы и средства для систем удаленного формирования

стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных

инфокоммуникационных комплексах

Специальность 05.13.15

«Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена на кафедре «Технических и информационных средств систем управления» (ТИССУ) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики».

кандидат технических наук, доцент

Научный руководитель:

Дешко Игорь Петрович доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Петров Андрей Борисович кандидат технических наук, доцент Селиванов Владимир Арнольдович ОАО электронных "Институт

Ведущая организация:

управляющих машин им. И.С. Брука"

Защита состоится «9» ноября 2011 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д212.131.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» (МГТУ МИРЭА) по адресу:

119454, г. Москва, пр. Вернадского, д. 78, Д-412.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования государственный «Московский технический университет радиотехники, электроники и автоматики»

Автореферат разослан « 5 » октября 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Андрианова Е.Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Концепция долгосрочного социальноэкономического развития РФ до 2020 г. в части развития системы образования отмечает необходимость ориентации на практические навыки и фундаментальные умения, расширение сферы дополнительного образования. Обеспечение компетентностного подхода, взаимосвязи академических знаний и практических умений обозначена как одна из первых задач для достижения стратегической цели государственной политики в области образования. Для ее решения необходимо создать технические и технологические условия, позволяющие эффективно использовать информационнокоммуникационные технологии (ИКТ) в процессе обучения, в том числе дистанционного.

Современный подход к подготовке специалистов в области ИКТ предполагает значительный объем учебного и исследовательского практикума на реальном оборудовании. Для достижения требуемого уровня компетенций доля практических занятий должна составлять не менее 40% учебного времени. При этом необходим практикум именно на реальном оборудовании, поскольку ограничения, неизбежно присутствующие у различного рода симуляторов и эмуляторов, не позволяют сформировать адекватные навыки.

На зарубежном рынке присутствуют десятки предложений удаленной аренды стендов с различным инфокоммуникационным оборудованием. Ряд из них ориентирован на практическую подготовку к сдаче сертификационных экзаменов, другие предназначены для тематических университетских программ. Вместе с тем, абсолютное большинство этих стендов являются предустановленными, т.е. статичными по числу устройств и связей между ними. Выбор пользователя лимитирован изучением одной из предлагаемых конфигураций с жестко ограниченными пределами ее модификации. Следствием этого является сужение исследовательской компоненты в дистанционном учебном процессе и, кроме того, неизбежный простой оборудования в незадействованных стендах.

Для устранения подобной ситуации требуются системы, предоставляющие удаленным пользователям возможности самостоятельного формирования и модернизации стендов из необходимых им устройств.

Об их перспективности свидетельствуют планы ведущихся разработок в США, Европе и других регионах. Специалистам нашей страны предстоит сформулировать техническую политику в этой области ИКТ.

Указанные обстоятельства определяют актуальность и практическую значимость настоящей работы, нацеленной на восполнение теоретического и практического пробела в области систем удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных инфокоммуникационных комплексах (ИКК).

Объектом исследования являются системы, реализующие возможности удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в ИКК учебного назначения. При этом предмет исследования состоит в системном анализе структуры объекта, требований, методов, алгоритмов и средств для его реализации.

Цель и постановка задачи исследования. Целью диссертации является разработка и исследование методов, алгоритмов и программноаппаратных средств для систем удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК. Однако, ввиду новизны, вопросы теории и практики разработки и применения систем удаленного формированием стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК не получили пока должного освещения в отечественной и зарубежной литературе.

Для устранения этого пробела и достижения цели исследования в работе ставятся следующие основные задачи:

1. Провести аналитический обзор существующих учебных ИКК с удаленным доступом.

2. Выявить структуру и основные требования к системе удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК.

3. Разработать математическую модель рабочего процесса системы удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК, реализующие ее алгоритмы и структуру комплекса программных средств.

4. Провести анализ методов и средств удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК.

5. Провести экспериментальную проверку разработанных решений.

6. Внедрить разработанные в диссертации научные положения и технические решения в перспективные разработки, а также в учебную практику МГТУ МИРЭА и других учреждений сферы образования.

Методы исследования. Приведенные в работе научные положения и исследования базируются на использовании методов системного анализа, теории компьютерных сетей, теории графов, теории баз данных, методов целочисленного линейного программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель рабочего процесса системы удаленного формирования множества независимых стендов с изменяемой сетевой топологией в составе одного учебного ИКК с реальным оборудованием.

2. Разработана математическая модель оценок масштабируемости и определения условий, при которых достигается максимизация использования ресурсов учебных ИКК по различным целевым функциям. С ее помощью получены практические результаты для программы Cisco Certified Network Associated (CCNA).

3. Разработана обобщенная, независящая от используемых методов и технических реализаций, структура комплекса программных средств для всех этапов жизненного цикла удаленно сформированных стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК.

4. Разработана типовая архитектура реляционной базы данных и алгоритмы удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК.

5. Показаны возможности различных методов и средств, позволяющих реализовать устройства кросс-коммутации для организации стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК с учетом требований изолированности, прозрачности, масштабируемости, экономичности и управляемости.

Практическая ценность работы состоит в том, что применение разработанных математических моделей, обобщенной структуры, комплекса программных средств, типовой архитектуры реляционной базы данных и алгоритмов расширяет возможности учебного и исследовательского практикума на реальном инфокоммуникационном оборудовании посредством удаленного формирования стендов с изменяемой по требованию пользователей сетевой топологией.

Полученные теоретические и практические результаты внедрены в систему дополнительного профессионального образования МГТУ МИРЭА и использованы при определении перспективных направлений развития единой системы сетевых образовательных ресурсов ФГУ ГНИИ ИТТ «Информика».

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением математического аппарата, экспериментальной проверкой, успешным внедрением разработанных научных положений в практические разработки, апробацией результатов исследования на специализированных научных конференциях, публикацией основных результатов работы в рецензируемых изданиях, содержащихся в перечне ВАК.

Апробация и практическое внедрение результатов исследования.

Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и совещаниях: на Международной конференции «Инновационные подходы и информационные технологии для внедрения нового поколения государственных стандартов высшего профессионального образования», МИФИ, Москва 2009; на совещании по развитию и повышению эффективности функционирования сети RUNNet, Тамбов 2009; на XVII Всероссийской научно - методической конференции «Телематика 2010», ГИТМО, Санкт-Петербург 2010; на 59-й НТК МИРЭА, Москва и 60-й НТК МИРЭА, Москва 2011; на VII Международной научной конференции «Новые информационные технологии и менеджмент качества», Турция, 2010; на ХII Международном интерактивном форуме образовательных технологий «Дополняя реальность», РГГУ, Москва 2011.

Личный вклад автора в работу. Все основные аналитические расчетные и экспериментальные данные, изложенные в диссертационной работе, получены лично автором. Использованные материалы других авторов помечены ссылками.

Публикация результатов работы. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня изданий ВАК, 1 свидетельство государственной регистрации программ для ЭВМ. Полный перечень авторских публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, составляющих ядро диссертации, заключения, библиографии и 2 приложений. Диссертация содержит 110 страниц текста, рисунка, 10 таблиц и библиографический список из 106 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обосновывается актуальность темы, формулируется цель и задачи, приводятся определения, конкретизирующие рассматриваемую предметную область.

В первой главе диссертации рассмотрен состав практикума в образовательных программах ведущих производителей ИКТ и проведен аналитический обзор существующих систем удаленного доступа к стендам с реальным оборудованием в составе учебных ИКК.

Под стендом, в данной работе, понимается специальная компьютерная сеть, образованная совокупностью устройств ИКК и линий связи между ними, находящихся в течении времени резервирования в монопольном управлении одного или группы совместно работающих удаленных пользователей.

Обобщенная структура системы удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК имеет следующий состав, Рис. 1.

1. Учебное (основное) оборудование, образующее инфокоммуникационный комплекс. К нему относятся коммутаторы, маршрутизаторы, межсетевые экраны, беспроводные точки доступа, сетевые хосты и виртуальные машины (ВМ), сетевые системы хранения данных и другие сетевые устройства.

Рис. 1. Обобщенная структура системы удаленного формирования стендов 2. Сервисные (вспомогательные) устройства, обеспечивающие функциональные возможности системы удаленного доступа к стендам с изменяемой топологией. К ним относятся консольный сервер, выполняющий управление оборудованием по RS-232, устройство управление электропитанием, позволяющее по протоколу IP включать или отключать каждую единицу учебного оборудования, VNC сервер, реализующий функции удаленного рабочего стола для устройств, управляемых посредством WEB/Telnet/SSH/GUI интерфейсов, устройства кросс-коммутации (УКК) уровней локальных (LAN) и глобальных (WAN) компьютерных сетей.

3. Программное ядро, реализующее согласованное взаимодействие между всеми составляющими системы и содержащее следующие основные модули:

• модуль консольных подключений, предоставляющий пользователю возможности доступа к консольному серверу посредством Webинтерфейса;

• модуль электропитания, позволяющий удаленно включать или отключать учебные устройства;

• модуль управления ВМ, реализующий удаленное добавление (удаление), настройку, протоколирование состояний и другие действия, связанные с функционированием сетевых хостов и приложений на них;

• модуль кросс-коммутации (МКК), управляющей работой УКК LAN и УКК WAN;

• модуль ААА (Authentication, Authorization, Accounting), проводящий аутентификацию, авторизацию и аккаунтинг пользователей;

• модуль Web-интерфейса, представляющий собой единую точку входа в систему удаленного доступа для всех категорий пользователей (слушатели, инструкторы, администраторы, гости);

• база данных (БД), обеспечивающая хранение всей информации об устройствах ИКК, сетевых топологиях учебных стендов, пользователях системы, их правах и отчетах о деятельности, таблицы временного резервирования устройств ИКК;

• модуль связи с БД, обеспечивающий доступ программных модулей к БД для считывания или записи данных.

Такая структура обеспечивает следующие основные возможности:

• удаленное изменение по желанию пользователя состава устройств, образующих стенд;

• удаленное формирование произвольных сетевых топологий в стенде без ручной перекоммутации физических линий связи;

• одновременное функционирование нескольких стендов.

При этом необходимо выполнение следующих основных требований:

• изолированность – удаленно сформированные стенды должны работать независимо друг от друга, происходящие в каждом стенде процессы должны быть полностью изолированы от процессов в других стендах;

• прозрачность – УКК не должны вносить каких-либо ограничений по сравнению со стендами с фиксированными топологиями;

• масштабируемость – максимизация использования всех входящих в ИКК устройств для организации стендов;

• экономичность – в качестве УКК следует использовать доступное, неспециализированное оборудование, выпускаемое различными производителями;

• управляемость – возможность удаленного административного управления УКК, мониторинга состояния топологий и использования ресурсов ИКК.

По результатам аналитического обзора конкретизированы задачи исследования, ведущие к достижению цели поставленной во Введении к диссертации Во второй главе разрабатывается математическая модель рабочего процесса для формализованного описания процесса и условий, позволяющих удаленно формировать множество независимых стендов с изменяемой сетевой топологией в составе учебных ИКК. Такое описание лежит в основе последующей алгоритмической и программной реализации, учитывающей основные этапы жизненного цикла стендов. К ним относятся: этап первоначальной инсталляции, этап формирования стендов, этап работы со стендами, этап разрушения стендов.

Обозначим через D множество всех устройств, входящих в ИКК, а стенд S k ( S k S ) представим в виде набора:

где S множество одновременно реализуемых стендов;

D k множество устройств, входящих в стенд S k ;

E k множество линий связи между устройствами D k S k ;

k множество конфигурационных настроек устройств D k.

Условия одновременной реализуемости в интервале времени резервирования (T0, T ) множества стендов под разным административным управлением заключаются в том, что устройств в ИКК достаточно для формирования хотя бы одного стенда и каждое устройство с линиями связи входит в состав только одного стенда.

Принадлежность сетевых портов к уровню LAN или WAN будем обозначать соответствующим нижним индексом. Тогда описание любого устройства d с позиций его канальной связности в стенде S k можно представить набором вида:

где pLAN, pWAN множества LAN и WAN портов устройства, задействованk k ных в стенде S k. Мощности этих множеств pLAN, pWAN равны числу задействованных портов устройств.

В свою очередь, множество линий связи E k между устройствами D k S k представляет набор вида Последнее условие отражает тот факт, что по определению связь между LAN и WAN портами исключена, и каждая линия связи соединяет только два однотипных порта.

Характер связей между устройствами стенда определяет его сетевую топологию. Для ее формального описания будем интерпретировать стенд как неориентированный взвешенный суперграф (мультиграф), в котором вершины ассоциируются с устройствами, подвершины с портами, а ребра с линиями связи. При этом взвешенность вершин отражает разнообразие параметров устройств в стенде, а взвешенность ребер - характеристик линий связи. Поскольку линия связи соединяет два порта, то их общее число mLAN в стенде S k, состоящего из n устройств S k = (d1k, d 2k,..., d nk ), равно:

где p jLAN ( j = (1, n ) число задействованных LAN портов в j-м устройстве.

Тогда записанная относительно портов матрица смежности ALAN с размерностью mLAN mLAN, будет иметь вид:

Каждая линия связи переносит данные некоторого набора протоколов. Среди последних достаточно выделить протоколы канального уровня, так как в них инкапсулируются пакеты всех вышележащих протоколов.

Обозначим через L2 k протокольную структуру вида:

Элементами l2ijLAN этой структуры являются наборы используемых протоколов канального уровня. Поскольку каждая линия связи вносит задержку распространения, то для их учета сформируем матрицу задержек kLAN R + Для уровня WAN аналогичные соотношения получаются путем замены нижнего индекса LAN на WAN. Приведенные выше соотношения образуют формализованную модель для предустановленных (фиксированных) стендов.

При удаленном формировании стендов с изменяемой сетевой топологией все устройства изначально подключаются всеми своими LAN и WAN портами к УКК LAN и УКК WAN, соответственно. Предполагается, что число и тип портов УКК LAN и УКК WAN достаточен для такого подключения. Поэтому все связанные с УКК LAN и УКК WAN устройства можно рассматривать как некий стенд S с компонентами S LAN и SWAN, полученный в результате первого этапа с процессом f 0 первоначальной инсталляции:

Пусть p jLAN, p jWAN j = (1, D ) число всех LAN и WAN портов в j-м устройстве. Тогда компоненты стенда S LAN и SWAN можно представить двумя взвешенными мультиграфами с матрицами смежности ALAN и AWAN с тим, что элементы этих матриц на этом этапе равны нулю.

Как и всякие промежуточные устройства, УКК LAN и УКК WAN вносят задержки, характеризуемые матрицами LAN, WAN.

Задача одновременного формирования совокупности стендов S k из имеющегося стенда S состоит в том, что бы пользователи удаленно могли выполнить следующие преобразования:

где k = (1, K ), K– число одновременно реализуемых стендов в интервале времени резервирования (T0, T ) при условиях вида:

и требованиях:

Сущность преобразования (1) состоит в том, что бы в УКК LAN и в УКК WAN образовать необходимые соединения типа «псевдокабель»

между соответствующими парами их портов для достижения требуемой пользователю сетевой топологии.

Условия (2 – 4) означают изолированность различных стендов и достаточность устройств для их реализации, требование (5) – идентичность сетевой топологии фиксированного и сформированного стенда с изменяемой топологией на уровнях LAN и WAN, (6) – прозрачность соединений, а (7) - минимизацию вносимых задержек.

Таким образом, выполнение (1 - 7) будет означать, что различные удаленные пользователи будут иметь возможность одновременно и независимо друг от друга реализовывать необходимые им стенды. Это соответствует этапу формирования стендов.

Этап работы со стендами, по сути, заключается в изменении конфигурационных настроек устройств для решения задач практикума или исследований. Рассмотрим особенности этого этапа. На этапах первоначальной инсталляции и формирования стендов конфигурационные настройки всех устройств находятся в исходном состоянии 0. В процессе удаленной работы со стендом S k пользователь своими действиями последовательно вносит в них изменения По истечению времени резервирования (последний этап) происходит автоматическое разрушение стенда S k : обнуляются соответствующие матрицы смежности и конфигурационные настройки возвращаются к исходному состоянию:

Приведенные выше соотношения образуют общую модель удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК.

Представим теперь множество D всех устройств ИКК в виде N непересекающихся подмножеств D1, D2,…,DN. Мощности D1, D2,..., DN представляют собой количество соответствующих устройств (коммутаторы, маршрутизаторы, хосты, точки доступа и т.д.). Каждое подмножество Di, i = 1, N образуют одинаковые по функционалу устройства, Мощность D множества D есть число всех устройств, образующих ИКК:

Пусть на множестве D нужно реализовать множество стендов S k, k = (1, K ). Поскольку все стенды изолированы друг от друга это множество можно представить в виде К непересекающихся подмножеств S1, S2,..., SK мощности которых S1, S2,..., S K представляют собой число соответствующих стендов. Каждое подмножество образуют стенды с одинаковой сетевой топологией и составом оборудования. Тогда К будет представлять собой число различных топологий, а мощности S1, S2,..., S K – суть число стендов для каждой топологии. Множеству Sk, k = (1, K ) всех стендов может быть поставлена в соответствие прямоугольная матрица B= {bij } размерностью N K, где bij– число устройств типа i в стенде типа j, 0 bij Di, i = (1, N ), j = (1, K ). Поскольку множество D является конечным, то можно записать следующую систему ограничений:

где s= { S1, S2,..., S K }, d= { D1, D2,..., DN }.

Задача нахождения числа и типа устройств в ИКК, необходимого для одновременной реализации желаемого набора стендов может быть сформулирована различными способами.

1. Найти мощности D1, D2,..., DN позволяющие одновременно реализовать все подмножества стендов с мощностями S1, S2,..., S K. Для этого случая имеем:

2. Найти мощности D1, D2,..., DN при которых достигается максимизация числа одновременно реализуемых стендов. Здесь наряду с (8) должны выполняться условия:

3. Найти мощности D1, D2,..., DN при которых достигается максимизация числа одновременно реализуемых стендов при условии, что каждый j-й стенд реализуется как минимум Jj раз. В этом случае вместе с (8) должны выполняться условия:

При Jj=1 для j=1,2,…,K j = (1, K ) в каждый момент времени будет реализовано по одному экземпляру каждого стенда. Как видно, это является частным случаем (9).

4. Найти мощности D1, D2,..., DN при которых достигается максимизация числа одновременно используемых устройств ИКК:

Система (8) вместе с целевой функцией вида (9 – 12) образуют задачу целочисленного линейного программирования. В ней матрица B содержит всю информацию о топологии стендов, а вектор-столбец d характеризует состав оборудования, входящего в ИКК. Решая эту задачу одним из известных методов, можно исследовать влияние числа устройств каждого типа на количество одновременно реализуемых стендов, их состав или утилизацию оборудования ИКК. Тем самым на основе этой математической модели становится возможным определить план развития ИКК в зависимости от поставленных приоритетов. Практические результаты приведены для программы CCNA.

Основываясь на этапах жизненного цикла и разработанной модели в диссертации предложена обобщенная структура комплекса программных средств и алгоритмы, позволяющие удаленно формировать стенды с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК. В состав комплекса программных средств входит разработанная автором типовая архитектура реляционной БД, состоящая из 19 таблиц, в которых в минимально необходимом виде содержится информация, позволяющая удаленно изменять топологии стендов, а также специализированные программные модули, дополняющие структуру ИКК для поддержания процессов формирования, функционирования и разрушения стендов:

1. Модуль визуализации формируемого стенда – производит определение свободных в запрашиваемый временной интервал резервирования устройств и предоставляет возможности визуализации в графическом интерфейсе устройств и линий связи между ними, т.е. топологии стенда S k.

2. Модуль проверки соединений – обеспечивает проверку условия, что каждая линия связи соединяет только однотипные порты.

3. Модуль конфигураций – позволяет сохранять топологию стенда и текущие конфигурации устройств в репозитории конфигураций или загружать ранее сохраненные конфигурации в устройства стендов.

4. Модуль протоколирования – производит запись всех действий, которые совершают пользователи при работе с устройствами стендов.

Разработанная обобщенная структура программных средств позволяет перейти к рассмотрению алгоритмов удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией. В них выделяются две составляющих:

административная и пользовательская. Административная составляющая предназначена для выполнения разовых операций и состоит из 6 шагов:

Шаг 1. Администратор ИКК посредством консольного подключения производит первоначальную настройку портов УКК LAN и УКК WAN.

Она заключается в присвоении IP адресов, масок подсети и шлюза по умолчанию, активизации протоколов удаленного управления УКК LAN и УКК WAN, задания диапазона и параметров меток для реализации кросскоммутации.

Шаг 2. Посредством web-интерфейса администратор задает условия работы со стендами, включающие в себя: максимальное время резервирования и максимальное число одновременно используемых устройств в стенде.

Шаг 3. Администратор ИКК производит наполнение БД, внося атрибуты управления и авторизации, характерные для УКК LAN и УКК WAN.

Шаг 4. На этом шаге в БД вносятся атрибуты портов УКК LAN и УКК WAN.

После этого шага в БД содержится вся необходимая информация об УКК LAN и УКК WAN. Далее следует внести атрибуты устройств.

Шаг 5. В БД заносятся наборы атрибутов каждого устройства ИКК, включая описание портов.

Шаг 6. В БД заполняются таблицы, описывающие связи между портами устройств и портами УКК LAN и УКК WAN.

После выполнения административной составляющей алгоритма система готова к предоставлению удаленным пользователям услуг по формированию стендов, которые отражены в 9 шагах пользовательской составляющей алгоритма:

Шаг 1. Пользователь вводит в web-браузере URL системы, после чего проходит процедуру аутентификации и авторизации. В случае успешного прохождения этих процедур, происходит переход к шагу 2.

Шаг 2. Посредством модуля визуализации пользователь выбирает устройства для стенда из числа доступных устройств ИКК.

Шаг 3. Посредством модуля визуализации пользователь формирует сетевую топологию стенда, соединяя необходимые порты устройств. Пользователь также может провести загрузку ранее сохраненной топологии стенда S k и конфигурации устройств k, используя репозиторий конфигураций.

Шаг 4. На этом шаге по созданной топологии автоматически определяются соединения выбранных портов устройств с портами УКК LAN и УКК WAN и актуализируются соответствующие связи в таблицах БД.

Шаг 5. На этом шаге формируются таблицы, описывающие совокупность «псевдокабелей», каждому из которых назначается уникальная в пределах ИКК метка кросс-коммутации.

Шаг 6. Каждое устройство стенда, а также созданные «псевдокабели» ассоциируется со стендом S k. Совокупность этих кабелей будет являться отражением сформированной пользователем сетевой топологии стенда S k.

Отметим, что шаги 4-6 реализуются автоматически. По их выполнении пользовательский стенд полностью сформирован и готов к удаленной эксплуатации.

Шаг 7. Эксплуатация стенда происходит во временном интервале резервирования (T0, T ). В нем пользователь имеет возможность сохранить сетевую топологию и текущую конфигурацию устройств в репозитории конфигураций. Все действия пользователя при работе со стендом логируются.

Шаг 8. По истечению времени резервирования происходит процесс разрушения «псевдокабелей», т.е. удаление из таблиц ассоциации «псевдокабеля» со стендом, высвобождение используемых меток кросскоммутации, а также приведение устройств к первоначальной конфигурации 0.

Шаг 9. Электропитание устройств отключается, флаг доступности устройств выставляется как «свободно», тем самым производится возврат устройств в пул доступных.

В конце главы приведены выводы.

В третьей главе рассматриваются методы и программно-аппаратные средства для реализации УКК LAN и УКК WAN. Для уровней LAN и WAN проведен анализ специфики их функционирования и выделены характерные особенности. Современные Ethernet сети поддерживают механизм виртуализации сетевых сегментов, получивший название виртуальных LAN (VLAN). Помимо этого, наряду с протоколом Ethernet может функционировать и ряд других протоколов канального уровня, таких как Spanning Tree Protocol (STP), Port Aggregation Protocol (PAgP), Cisco Discovery Protocol (CDP), Cisco VLAN Trunking Protocol (VTP) и др.

На уровне WAN линии связи организуются на основе низкоскоростных каналов типа выделенной линии, на которой могут функционировать различные канальные протоколы, такие как HDLC, PPP, Frame Relay и др.

Метод многопротокольной коммутации по меткам MPLS (Multiprotocol Label Switching) позволяет передавать трафик, переносимый посредством множества протоколов: IP, ATM, Frame Relay, SONET/SDH, Ethernet и др. Помимо этого его важным преимуществом перед традиционными маршрутизирующими методами является существенно большая производительность, так как процесс коммутации происходит в разы быстрее, чем процесс маршрутизации.

Для передачи кадров Ethernet через MPLS устройство или связную MPLS сеть используется мостовое соединение между двумя портами. Это обеспечивает прозрачную передачу как обычных, так и тегированных по IEEE 802.1Q кадров Ethernet, а также вспомогательных протоколов канального уровня STP, VTP, CDP, PAgP и др.

«Псевдокабель» организуется посредством пакетно-коммутируемого туннеля, терминации и вспомогательного сетевого процесса. Процессом терминации на входе и выходе туннеля кадру назначается и снимается MPLS метка. Уникальность меток обеспечивает изолированность потоков кадров в туннеле. Для достижения прозрачности следует использовать так называемый «сырой режим» (rawmode). Здесь любой кадр передается по «псевдокабелю» без изменения семантики своих исходных полей. Число возможных «псевдокабелей» определяется длиной MPLS метки и составляет около миллиона. Аппаратным средством, реализующим данный метод, является управляемый MPLS/Ethernet коммутатор с числом портов, достаточным для подключения всех устройств ИКК.

Метод двойного тегирования на основе спецификации 802.1QinQ предполагает добавление к исходному тегированному кадру Ethernet дополнительного 4 байтового тега, содержащего 12 битовое поле VID (QinQ).

Оно отвечает за изолированную передачу кадра через сетевую инфраструктуру, в которой применяется собственная политика VLAN. Число возможных «псевдокабелей» с уникальным тегом определяется длиной поля VID (QinQ) и составляет 4094.

Значение VID(QinQ) никак не связано со значением VID(Q), что позволяет изолировать политики их назначения. Оба эти значения являются локально значимыми, т.е. ограничены своими доменами администрирования. Они назначаются и удаляются на границах соответствующих им доменов.

Для достижения прозрачности метод двойного тегирования должен быть дополнен методом туннелирования на 2-м уровне. Последний заключается в последовательном выполнении инкапсуляции и деинкапсуляции содержимого PDU (Protocol Data Unit) в промежуточный Ethernet кадр. Поскольку значение VID(Q) не изменяется, то эта процедура позволяет обеспечить полную прозрачность передачи, вне зависимости от того, каким протоколом сформирован PDU. Отметим, что наряду с открытыми по стандарту IEEE802.1ad имеется и ряд проприетарных протоколов туннелирования, например, Cisco Layer 2 Tunneling.

Таким образом, для формирования стендов с изменяемой сетевой топологией на уровне LAN достаточно применить любой управляемый Ethernet коммутатор, операционная система которого поддерживает открытую или проприетарную протокольную реализацию методов двойного тегирования и туннелирования на 2-м уровне.

Метод программной трансляции битовых потоков позволяет реализовать УКК WAN на любом ПК с установленным многопортовым адаптером последовательных интерфейсов. Битовые последовательности, поступающие на один порт многопортовой платы, после буферизации и обработкой ЦП, должны без изменений перенаправляться на другой порт этой платы. Необходимую управляемость при реализации этого метода можно обеспечить аппаратно на ПК под управлением ОС Linux\UNIX. В этом случае кросс-коммутация проводится программой, которая, обращаясь к файловым дескрипторам, открывает их одновременно на «чтение и запись»

и перенаправляет потоки между портами. Простая трансляция битовых потоков без изменения их семантики обеспечивает прозрачность УКК WAN, а изолированность гарантируется средствами ОС. Для повышения масштабируемости предложено и рассмотрено стекирование УКК WAN.

Для экспериментальной проверки предложенных решений использовалась разработанная при участии автора инфраструктура системы TermILab (www.it-train.ru/termilab) с добавлением компонент, необходимых для структуры по Рис.1. Для УКК LAN использовался метод двойного тегирования, реализованный посредством управляемого коммутатора Cisco Catalyst 3560, а для УКК WAN -- метод программной трансляции битовых потоков с аппаратной реализацией на базе ПК с многопортовой платой Cronyx Tau-PCI и платой расширения Delta2 под управлением ОС Linux Ubuntu 9.0.4. Программный модуль кросс-коммутации и БД были реализованы в объемах, достаточных для проведения эксперимента. Состав учебного оборудования включал в себя коммутаторы, маршрутизаторы, виртуальные хосты и серверы с информационными приложениями, Табл. 1.

Таблица 1. Состав оборудования экспериментального ИКК Обозначение Тип устройства Платформа Операционная Кол-во Из этого оборудования удаленно были сформированы два независимых стенда с топологией по Рис. 2.

Задачи экспериментальных исследований состояли в проверке выполнения требований изолированности и прозрачности при одновременном и независимом функционировании двух стендов в условиях удаленного изменения их топологий. Такая проверка выполнялась не только для канального, но и для вышележащих уровней, включающих прикладной.

Методика эксперимента предполагала сначала проверку отсутствия конфликта IP адресов в стендах №1, 2 при полном совпадении их IP адресного пространства и корректность созданных ARP записей в коммутаторах К1 и К2. В этих условиях конфликта адресов не наблюдалось, а ARP записи были адекватны сетевым топологиям. Это подтверждает изолированность стендов и правильное функционирование сформированных УКК LAN «псевдокабелей» в каждом стенде.

Рис. 2. Топологии стендов для экспериментальных исследований Далее устройства и информационные приложения в стендах были настроены в соответствии с элементами практикума академических программ Cisco и Microsoft. Для этого на К1 и К2 была создана идентичная база VLAN с VID 10, 20, 99 и каждый из них помещен в один VTP домен Exp. Режим VTP выбран как сервер. Порты FE0/1 и FE0/2 настроены как порты доступа и помещены в VLAN 10. Управляющим интерфейсам VALN 99 коммутаторов присвоен IP адрес 10.0.1.99/24 и настроен шлюз по умолчанию 10.0.1.1. Порты FE0/24 коммутаторов К1 и К2 сконфигурированы как магистральные (trunk) с возможностью передачи по ним всех VLAN. С использованием команды show mac address-table была изучена таблица MAC адресов устройств, подключенных к К1 и К2. Сравнив выводы данной команды было определено, что MAC адреса, присутствующие на К1, на К2 отсутствуют и наоборот. Используя команду show ip arp, был просмотрен локальный arp-cache для интерфейса VLAN 99. Результаты просмотра подтвердили изолированность стендов на уровне пользовательской VLAN.

Следующая группа экспериментов проверяла корректность функционирования УКК WAN. Соответствующие порты М1 и М2 были настроены на использование протокола HDLC с определением режимов DCE и DTE. Затем между М1 и М2 была проведена настройка протокола динамической маршрутизации EIGRP. Проверка связности устройств Х1 и Х проводилась с помощью утилиты ping, а число переходов на пути IP пакета утилитой tracert. Аналогичная проверка выполнялась для Х3 и Х4. Результаты подтвердили правильное функционирование независимых стендов, одновременно использующих УКК LAN и УКК WAN.

Для проверки работы прикладных процессов в стендах №1, 2 на С1 и С2 были удаленно настроены серверы DHCP, DNS, HTTP и FTP. Запросы с Х1 на С2 и с Х3 на С1 по соответствующим протоколам окончились неудачей, т.е. прикладные процессы в независимых стендах изолированы друг от друга.

Далее стенды удаленно модернизировались путем ввода в каждый из них дополнительного коммутатора (К3, К4) с избыточными связями К1-К и К2-К4. Помимо повторения экспериментов по вышеприведенной схеме, проверялось функционирование протокола STP. Для этого с помощью команды show spanning-tree было сначала выявлено блокирование избыточного порта на каждом из коммутаторов К3, К4. Затем рабочие порты на этих коммутаторах были удаленно деактивированы, после чего протокол STP автоматически перевел порты избыточных линий связи в активное состояние и восстановил сетевую связность. Это подтвердило корректность работы механизмов туннелирования протоколов канального уровня в УКК LAN.

Помимо этого, были проведены эксперименты для случаев, когда имелось совпадение тегов VID в стендах и в УКК LAN. При этих условиях штатная работа удаленно сформированных стендов нарушена не была, что подтверждает выполнение требования прозрачности.

Таким образом, результаты экспериментальной проверки согласуются с разработанными в диссертационной работе положениями.

В Заключении сформулированы новизна, достоверность, практическая значимость работы. Приведен список публикаций и основные результаты, выносимые на защиту.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена структура систем удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК и основные требования к ней.

2. Разработана математическая модель рабочего процесса системы удаленного формирования множества независимых стендов с изменяемой сетевой топологией в составе одного учебного ИКК.

3. Разработана математическая модель оценок масштабируемости и определения условий, при которых достигается максимизация использования ресурсов учебных ИКК по различным целевым функциям и полученные с ее помощью практические результаты.

4. Сформулирована обобщенная структура комплекса программных средств для всех этапов жизненного цикла удаленно формируемых стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК.

5. Разработана типовая архитектура реляционной базы данных и алгоритмы удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК.

6. Получены результаты исследования методов и программноаппаратных средств, позволяющих реализовать устройства кросскоммутации для организации стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК.

7. Приведены результаты экспериментальной проверки разработанных решений.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кряженков К.Г. Динамическое формирование Ethernet технологий в телекоммуникационных комплексах учебного назначения // «T-Comm - Телекоммуникации и Транспорт» № 4-2010 / Редкол.: Тихвинский В.О. (глав.ред.) и др.- М.: ООО «Издательский дом Медиа Паблишер», 2010 - С.14-16.

2. Кряженков К.Г. Модель динамического формирования стендов в телекоммуникационных комплексах учебного назначения // Динамика неоднородных систем. Вып. 14/ Под ред. Ю.С. Попкова М.:

ЛЕНАНД, 2010. – 314 с. (Сборник «Труды института системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН)»), С. 105 – 111.

3. Кряженков К.Г., Степушин А.А., Чехарин Е.Е. Практика использования в учебном процессе системы удаленного доступа к реальному телекоммуникационному оборудованию // Труды XVII Всероссийской научно - методической конференции «Телематика 2010» В 2т. - СПб.: ГИТМО, 2010. - 1т.; С. 96.

4. Д.В. Двоеглазов, К.Г. Кряженков. Комплексная информационная система удалённого доступа к лабораторному оборудованию TermILab // Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ в области технологий электронного обучения в образовательном процессе, Сборник научных работ в 2т - Бел.: Белгу, 2010. - 2т.; с. 19 – 5. Кряженков К.Г. Динамическое формирование сетевых топологий в учебных телекоммуникационных комплексах // Новые информационные технологии и менеджмент качества (NIT&QM’2010). Материалы международной научной конференции/ Редкол.: А.Н. Тихонов (пред.) и др.; ФГУГНИИИТТ «Информика».- М.: ООО «Арт-Флэш», 2010 - С.61-62.

6. Свидетельство государственной регистрации программ для ЭВМ 2010612518, Российская Федерация. Связующий модуль ядра системы TermILab с устройствами управления электропитанием / К.Г. Кряженков;

правообладатель К.Г. Кряженков - № 2010610699; дата поступл.16.02.2010;

дата регистр.12.04.2010.

7. К.Г. Кряженков Способы кросс-коммутации сетевой связности в телекоммуникационных комплексах учебного назначения // Дополняя реальность : XII Международный форум образовательных технологий «Дополняя реальность». Сборник тезисов. – МО, Щелково : Издатель Мархотин П.Ю., 2011. – С. 40 – 41.

динамических конфигураций в учебных инфокоммуникационных комплексах с удаленным доступом // Научно-технический вестник Поволжья. №4 2011г. – Казань: Научно-технический вестник Поволжья, 2011. – С. 142 – 146.