Методология построения распределенных сетей передачи, обработки и хранения данных: анализ и выбор рациональной структуры. Монография. Том 1

Александр Юрьевич Чесалов

Работа раскрывает классические подходы к проектированию распределенных сетевых структур на основе представленной методики анализа функционирования и выбора рациональной структуры региональной сети передачи, обработки и хранения данных в условиях использования разнородных и низкоскоростных каналов связи с целью повышения производительности, а как следствие, ее эффективности функционирования. В результате проведенных исследований сформирована алгоритмическая и методологическая основа.

Введение

В настоящее время в России происходит бурный процесс развития информационных технологий проектирования и внедрения компьютерных телекоммуникационных сетей. Одни сети имеют глобальный характер и топологию, другие являются корпоративными или локальными. Характер роста указанных сетей является весьма стохастичным, база средств вычислительной техники, на которой они строятся, гетерогенна. Вместе с тем данные сети имеют мощную тенденцию к расширению и объединению, образуя в конечном итоге интегрированную территориально-распределенную сеть, входящую частично в мировую сеть Internet.

В данной работе в качестве объекта исследования рассматривается региональная сеть передачи, обработки и хранения социально-экономической информации (региональная сеть хранения данных, РСХД), как совокупность технологий построения распределенных сетей и сетей хранения, построенных с применением SAN (Storage Area Network) и NAS (Network Attached Storage). Узлами РСХД являются административный центр и районные центры, представляющие собой сложные аппаратно-программные комплексы, и соединяющие их в единую систему разнородные каналы передачи информации.

Основной задачей РСХД является передача, обработка и хранение больших массивов социально-экономической информации, как основной составляющей всего информационного пространства регионов Российской Федерации.

На данный момент, сетевые территориально распределенные сети занимают важное место в развитии региональной науки и техники, образовании и культуры, здравоохранении, торговли и т. д. Это вызвано, в первую очередь, интенсивным ростом потребностей в распределенных прикладных вычислениях, информационных сервисах, системах электронного документооборота, дистанционного обучения, торговли, использованием почтовых служб, сервисов безопасности передачи, хранения и восстановления данных, и т. д. С другой стороны, недостаток финансирования сетевых проектов со стороны государственных органов, ограниченность средств телекоммуникационных компаний, необходимых для создания единой интегрированной высокоскоростной среды, пока не позволяют создать мощную основу для развития крупной сети регионального масштаба (хотя работы в этом направлении проводятся). Вместе с тем надо, быть готовым к решению задач проектирования и повышения эффективности функционирования и производительности региональных территориально распределенных сетей, на базе уже существующих телекоммуникационных решений, как одной из составляющих общероссийской телекоммуникационной инфраструктуры.

В общем случае моделируемая система РСХД характеризуется территориально распределенной структурой. Несмотря на то, что важнейшим показателем потенциальных возможностей ресурсов сети является пропускная способность центров обработки, передачи и хранения данных, управляемых протоколами TCP/IP, iFCP, iSCSI и InfiniBand, применяемые в настоящее время модели описания процессов сетей SAN являются недостаточно адекватными для проектирования сетей класса РСХД. Кроме того, анализ существующих подходов к решению задачи оптимизации параметров РСХД показывает, что ряд существенных черт, факторов и механизмов, определяющих эффективность функционирования сети, необоснованно упрощается. Таким образом, возникает потребность в создании более совершенных моделей описания процессов функционирования РСХД и методах выбора оптимальных решений, что должно позволить оценить или сформировать набор проектов сетей хранения с тем, чтобы обеспечить возможность выбора приемлемого варианта системы.

Целью работы является разработка методики выбора рациональной структуры региональной сети передачи, обработки и хранения данных в условиях использования разнородных каналов связи с целью повышения производительности, а как следствие, ее эффективности функционирования, посредством выбора методов и совершенствования алгоритмов построения распределенных сетей.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

— провести анализ технологий и особенностей построения распределенных сетей хранения данных;

— исследовать модели и методы проектирования распределенных сетей передачи данных;

— предложить комплексную модель региональной сети, представляющую собой совокупность модели функционирования центра обработки информации и системы в целом;

— разработать алгоритмы повышения производительности, а как следствие, и эффективности функционирования системы, и методику выбора рациональной структуры региональной сети передачи, обработки и хранения данных;

— провести анализ и предложить методику определения и оптимизации операционных характеристик сети на протокольном уровне, позволяющую учесть взаимосвязь основных сетевых механизмов процессов передачи данных в условиях использования разнородных каналов связи для региональной сети передачи, обработки и хранения данных;

— провести апробацию результатов исследования;

— разработать предложения и рекомендации по выбору рациональной структуры при проектировании РСХД и повышению эффективности ее функционирования.

Методы исследования

При выполнении работы использовались методы теории вероятностей, теории массового обслуживания, марковских процессов и методы математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— проанализированы новые технологии и исследованы подходы к построению распределенных сетей хранения данных и, как следствие этого, предложен подход к выбору рациональной структуры при проектировании региональной сети передачи, обработки и хранения данных;

— разработана модель функционирования региональной сети хранения;

— предложены алгоритмы повышения эффективности функционирования РСХД, используемые при создании структуры, выбора оптимальной пропускной способности каналов, определения характеристик сети хранения и их оптимизации, выбора аппаратного обеспечения на этапе технического проекта;

— разработана методика анализа функционирования и выбора рациональной структуры региональной сети передачи, обработки и хранения данных;

— предложена методика определения и оптимизации операционных характеристик региональной сети хранения на протокольном уровне, позволяющая учесть взаимосвязь основных сетевых механизмов процессов передачи данных в условиях использования разнородных каналов связи.

Достоверность и обоснованность работы подтверждены теоретическими разработками ведущих ученых, которые легли в основу работы, а так же результатами практического использования разработанной методики.

Практическая значимость работы

В результате проведенных в рамках данной работы исследований сформирована алгоритмическая и методологическая основа проектирования региональных распределенных сетей, в условиях использования разнородных каналов связи.

Предложенная методика может быть использована при разработке и реализации сетевых проектов целевых программ информатизации регионов РФ, что позволит ускорить процесс проектирования, снизить финансовые и временные затраты при выборе приемлемого решения, построить или модернизировать региональную сеть, отвечающую предъявляемым требованиям к передаче, обработке и хранению данных.

Апробация работы

Основные положения, теоретические выводы и практические рекомендации работы докладывались автором на следующих всероссийских и международных конференциях: «Математические методы в технике и технологиях» (г. Санкт-Петербург), «Социокультурная динамика: философские и социологические проблемы» (г. Тверь), «Современная образовательная среда» (г. Москва), «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (г. Нижний Новгород), на Российском Форуме разработчиков и администраторов информационных систем на базе технологий IBM Lotus Domino. (г. Москва).

Публикации

По результатам исследований опубликовано девять печатных работ¹²,¹³,¹⁴,¹⁵,¹⁶,¹⁷,¹⁸,¹⁹,²⁰.

Структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Примечания

12

Палюх Б. В., Чесалов А. Ю. Пути оптимизации аппаратно-программной платформы информационной системы. // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-2000: Сб. трудов Международ. науч. конф. В 7-и т. Т.6. Секции 11, 12, 13/ Санкт-Петербургский гос. Технол. Ин-т (техн. Ун-т). Санкт-Петербург, 2000.С.99—100.

13

Федченко С. Л., Чесалов А. Ю. Оценка загрузки и производительности информационной системы с архитектурой клиент-сервер. // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-2000: Сб. трудов Международ. науч. конф. В 7-и т. Т.6. Секции 11, 12, 13/ Санкт-Петербургский гос. Технол. Ин-т (техн. Ун-т). Санкт-Петербург, 2000.С.97—99.

14

Чесалов А. Ю., Чистяков М. В. Направления реорганизации технологической платформы в условиях антикризисного управления. // Управление в условиях кризиса. Социокультурная динамика: философские и социологические проблемы.: Сб. трудов науч. конф. Тверской гос. университет. Тверь, 2000.С.116—123.

15

Палюх Б. В., Чесалов А. Ю. Пути повышения эффективности региональной сети обработки социально-экономической информации. // Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» — ММТТ-14: Сборник трудов 14 международной научной конференции. Том 6. Секции 7,8 / Смоленский филиал Московского энергетического института (технического университета), Смоленск, 2001. C. 104—105.

16

Федченко С. Л., Чесалов А. Ю. Построение комплекса взаимосвязанных моделей для синтеза корпоративных вычислительных сетей. // Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» — ММТТ-14: Сборник трудов 14 международной научной конференции. Том 6. Секция 8 / Смоленский филиал Московского энергетического института (технического университета), Смоленск, 2001. C. 147.

17

Виноградов С. Н., Палюх Б. В., Чесалов А. Ю. Метод анализа функционирования информационной системы социально-экономических показателей Тверской области. // Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» — ММТТ-14: Сборник трудов 14 международной научной конференции. Том 6. Секции 8 / Смоленский филиал Московского энергетического института (технического университета), Смоленск, 2001. C. 126—128.

18

Прохныч А. Н. Чесалов А. Ю. Разработка автоматизированной информационной библиотечной системы на базе Domino R5. // Российский Форум разработчиков и администраторов информационных систем на базе технологий Lotus от IBM.: Сборник трудов Российского форума на CD-Rom / Академия Госслужбы при президенте РФ, Москва. 2002.

19

Чесалов А. Ю. Комплексный подход к построению и оптимизации кластерных вычислительных сетей. // Международный научно-практический семинар и всероссийская молодежная школа «Высокопроизводительные Параллельные Вычисления на Кластерных Системах»: Сборник трудов 2 международного научного семинара. / Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, г. Нижний Новгород, 2002. С. 329—333.

20

Чесалов А. Ю. Методы выбора вычислительных средств при проектировании кластерных вычислительных сетей. // Международный научно-практический семинар и всероссийская молодежная школа «Высокопроизводительные Параллельные Вычисления на Кластерных Системах»: Сборник трудов 2 международного научного семинара. / Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, г. Нижний Новгород, 2002. С. 333—338.