Совершенствование глобальных компьютерных сетей на базе нейросетевых, мульти-агентных и GRID-технологий 202

13.1. Эволюция глобальной телекоммуникационной сети первого поколения “Internet-1” 202

13.2. Проекты глобальных сетей второго поколения “Internet-2” и “Abilene” 202

13.3. Программа создания сети нового поколения Internet “NGI” 202

13.4. Проблемы и трудности управления мировой сетью Internet 203

13.4.1. Сравнительный анализ и противоречивость определений понятия “Internet” 203

13.4.2. Социально-психологические проблемы использования сети Internet 204

13.4.3. Системный взгляд на сеть Internet 204

13.4.4. Проблемы глобального управления сетью Internet 205

13.5. Состояние и перспективы развития GRID-технологий 207

13.5.1. Разработка GRID-систем в США и странах ЕС 207

13.5.2. Концепция GRID-технологий и сетей 208

13.5.3. Разработка GRID-технологий в России 209

13.5.4. Программа Президиума РАН в области GRID-технологий и сетей 210

13.6. Развитие мульти-агентных и нейросетевых технологий в современных компьютерных сетях 212

13.6.1. Классификация и архитектура внутренних сетевых агентов 212

13.6.2. Особенности нейросетевых агентов 215

13.6.3. Глобальные компьютерные сети как распределённая среда “коллективного интеллекта” 218

13.6.4. Интеллектуальный анализ и мульти-агентное управление распределёнными базами данных и знаний 219

Заключение 221

Литература 223

Предисловие

Бурное развитие глобальных телекоммуникационных систем (ТКС) свидетельствует о том, что их колоссальные возможности по массовому доступу людей к корпоративным, региональным и мировым информационным и вычислительным ресурсам, распределённым в информационных компьютерных сетях (ИКС) и GRID-средах, действительно уникальны и впечатляющи. Однако дальнейшее развитие глобальных ТКС и распределённых ИКС (создание ТКС новых поколений, внедрение GRID-систем и т.п.) в первую очередь связано с совершенствованием, автоматизацией и интеллектуализацией систем сетевого управления потоками данных и разработкой инновационных принципов моделирования, проектирования и модернизации компьютерных сетей.

Причиной этого является тот факт, что сегодня сетевое управление глобальными ТКС как мощным средством массового доступа пользователей к распределённым и высокопроизводительным ИКС в значительной степени зависит от “человеческого фактора”, а именно от знаний, опыта, интуиции и воли сетевых администраторов и операторов. В то же время хорошо известно, что способности людей (в том числе профессионалов в области сетевого управления ТКС и ИКС) принципиально ограничены пределами их психофизиологических возможностей. Даже если будет разработан наилучший (в том или ином смысле) человеко-машинный (интеллектуальный) интерфейс, сетевые администраторы и операторы не способны эффективно управлять многомерными сложными параллельными процессами передачи и обработки мультимедийных потоков данных. Поэтому они не смогут обеспечить требуемое качество сетевого управления, надёжность и отказоустойчивость глобальных ТКС и распределённых ИКС всё возрастающей сложности, функционирующих в условиях структурной и параметрической неопределённости. Однако на современном этапе развития телекоммуникационных и информационных технологий особенно важно гарантировать пользователям глобальных ТКС высокое качество запрашиваемых услуг и эффективное использование информационно-вычислительных ресурсов, распределённых в ИКС.

Перспективным путём совершенствования сетевого управления информационными потоками в глобальных ТКС является его автоматизация и интеллектуализация на базе системного анализа динамических моделей ТКС и ИКС как сложных объектов управления с переменной структурой, методов оптимизации процессов маршрутизации потоков данных и принципов адаптивного и интеллектуального управления компьютерными сетями с использованием нейросетевых, мульти-агентных и GRID-технологий. На этом новом пути возможен как учёт реальной динамики ТКС и ИКС, т.е. фактического изменения их структуры и параметров (топологии узлов и весов каналов связи), в системах сетевого управления информационными потоками, так и их адаптация к различным факторам неопределённости и нестационарности.

Неопределённость реальных условий эксплуатации глобальных ТКС и распределённых ИКС заключается в неопределённости и нестационарности количества пользователей и характера (профиля) их запросов, непредсказуемых изменениях структуры (сетевой топологии) и параметров (пропускной способности узлов и каналов связи), возможных перегрузках трафика, сетевых конфликтах, сбоях и отказах. В этих условиях неопределённости и нестационарности системы сетевого управления глобальных ТКС и распределённых ИКС неизбежно должны быть адаптивными и интеллектуальными.

Поскольку глобальные ТКС обслуживают интересы (запросы) большого количества пользователей информационных и вычислительных ресурсов, распределённых в ИКС, их системы управления не могут быть локальными, а должны иметь глобальный характер. Глобальное сетевое управление может строиться как на традиционных принципах централизованного или децентрализованного управления, так и на новых принципах мульти-агентного (группового) управления процессами обработки и передачи информации. При этом важную роль играет интеллектуальный сетевой анализ и распознавание (классификация) информационных потоков.

В книге рассматриваются динамические сетевые модели глобальных ТКС и распределённых ИКС с переменной структурой, методы динамической, нейросетевой и много-потоковой маршрутизации в сложных ТКС и ИКС с изменяющейся динамикой, принципы адаптивного, интеллектуального и мульти-агентного сетевого управления передачей и обработкой информационных потоков, а также методы фрактального и мультифрактального проектирования и имитационного моделирования компьютерных сетей. Эти модели, методы и программные средства являются важной составной частью современной теории адаптивного, интеллектуального и мульти-агентного управления информационными потоками в глобальных ТКС и распределённых ИКС, в которых в роли внешних агентов выступают пользователи (клиенты) с высокими требованиями к качеству обслуживания, кооперации по интересам и сетевой надёжности и отказоустойчивости.

В последние годы издано большое количество книг (в основном на английском языке) и статей в области телекоммуникационных систем и информационных технологий. Многие из этих книг и статей посвящены детальному изложению традиционных подходов к проектированию локальных и глобальных компьютерных сетей с фиксированной (неизменной) структурой и системному анализу современного состояния и тенденций развития таких сетей. При этом, как правило, изложение материала ведется на " инженерном" уровне строгости, а рассматриваемые методы, алгоритмы и протоколы теоретически не обоснованы (не сформулированы условия применимости и т.п.). Например, в книге С.Хелеби и Д.Мак-Ферсона " Принципы маршрутизации в Internet" (перевод с английского) 2003, 448 с., вообще отсутствует формальное описание алгоритмов маршрутизации и доказательства их сходимости, не обсуждаются вопросы корректности IP-протоколов и адаптации сетевого управления к различным факторам неопределённости. В тоже время в монографии В.Столлингса “Современные компьютерные сети” (перевод с английского), 2003, 783 с., утверждается, что “адаптивная маршрутизация – это задача, которую очень трудно решить должным образом. Доказательством этого может служить тот факт, что наиболее крупные сети неоднократно претерпевали изменения принципов маршрутизации”.

Характерной особенностью существующих публикаций является расплывчатость определений основных понятий (например, термин " Internet" имеет более 10 различных определений) и терминологическая путаница (например, не чётко определены и разделены понятия " телекоммуникационные сети" и " информационно-вычислительные компьютерные сети). Еще хуже дело обстоит с системным анализом компьютерных сетей с позиций теории управления, так как обычно не разъясняется главный вопрос – что является объектом управления (модель динамики и особенности объекта сетевого управления и т.п.), а что – системой управления (архитектура, методы и алгоритмы сетевого управления и т.п.).

Структура и содержание данной книги, а также принятый в ней строгий стиль изложения, научная новизна результатов и оригинальность подходов, связанных с развитием теории адаптивного управления, интеллектуального анализа и классификации информационных потоков и использованием нейросетевых, мульти-агентных и GRID-технологий, существенно отличают эту монографию от более ранних изданий. Следует отметить, что данная книга существенно развивает, дополняет и обобщает новые научные результаты, изложенные в книге А.В.Тимофеева и А.В.Сырцева “Модели и методы маршрутизации потоков данных в телекоммуникационных системах с изменяющейся динамикой” – М. Новые технологии, 2005.

Новизна и инновационный характер материалов данной книги связаны со значительным научным заделом, сформировавшемся в процессе выполнения автором госконтракта Министерства образования и науки РФ № 37.029.11.027 “Адаптивные методы управления потоками данных в глобальных телекоммуникационных системах нового поколения” (1999–2001) и проекта “Разработка методов адаптивной маршрутизации информационных потоков и оптимизации архитектуры телекоммуникационных систем на основе мульти-агентных и GRID-технологий” (2005–2011) по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН “Разработка фундаментальных основ создания научной распределённой информационно-вычислительной среды на основе технологий GRID”.

Первые результаты по мульти-агентным системам и технологиям были получены автором в процессе коллективного выполнения научно-исследовательского проекта IC15–CT96–0702 (DG–MUYS) “Multi-Agent Robot Systems for Industrial Applications in the Transport Domain” Европейской Программы “Copernicus” (1997–1999). В дальнейшем новые проблемы адаптивного управления и интеллектуального анализа информационных потоков в глобальных ТКС и распределённых ИКС были сформулированы, а оригинальные результаты их решения были получены при частичной поддержке грантов 98-01-01088-а, 00-07-90350-в, 03-01-00224-а, 05-01-08044-офи_а, 06-08-01612-а, 08-08-12183-офи_а, 09-08-00767-а, 10-08-91159-ГФЕН-а Российского Фонда Фундаментальных Исследований.

Книга может быть полезной для научных работников, инженеров и преподавателей, а также студентов и аспирантов, специализирующихся в области автоматизации, управления, системного анализа, интеллектуальной обработки информации и телекоммуникационных технологий.

В заключение автор хотел бы поблагодарить директора Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации РАН, члена-корреспондента РАН Р.М.Юсупова за поддержку и критические замечания в процессе написания этой книги. Автор выражает также благодарность своим сотрудникам и аспирантам Бакурадзе А.М., Колотаеву А.В., Михайлову Ю.В., Остюченко И.В. и Сырцеву А.В. за деятельную помощь при подготовке данной монографии.