Методология построения распределенных сетей передачи, обработки и хранения данных: сервисные сети следующего поколения. Монография. Том 2

Александр Чесалов

Работа раскрывает новые и дополняет уже рассмотренные в первом томе монографии подходы к проектированию региональных распределенных сетей передачи, обработки и хранения данных на основе технологий следующего поколения – NGN (Next Generation Network), которые позволяют перейти к проектированию и созданию «сетей будущего» (Future networks), основанных, в том числе, на современных технологиях машинного обучения и искусственного интеллекта.

Введение

Одной из причин нынешней нестабильности социально-экономической ситуации в России в целом, и в регионах в частности, является то, что управленческие действия отстают от происходящих изменений в общественно-политической и экономической жизни страны. Это, в свою очередь, актуализирует проблему повышения оперативности формирования первичной информации, приближения лиц, готовящих и принимающих решения, к комплексу средств автоматизации управленческого труда с целью выработки достоверных, научно-обоснованных управленческих решений.

В настоящее время в Российской Федерации происходит бурный процесс развития информационных технологий проектирования, внедрения и интеграции компьютерных телекоммуникационных сетей, объединяющих в себе сотовые сети, широкополосные сети, сети Wi-Fi, сети Интернета вещей, сети промышленного Интернета и другие сети специального назначения.

Внедрение информационных технологий в сферу социально-экономического управления субъектов Российской Федерации позволяет дать мощный импульс широкому проникновению научных знаний и информации во все сферы общественно-политической жизни, научной и социально-экономической деятельности. Это обуславливает новые требования к информационно-технологическому обеспечению органов регионального и местного управления. В частности, существенно повышается роль социологической и экономической информации, раскрывающей динамику взаимодействия органов управления и населения. Кроме этого, эффективность социально-экономического управления на современном этапе зависит от действительности форм и механизмов взаимодействия государственных структур и социума в процесс решения социально-экономических проблем.

На данный момент, территориально распределенные сервисные сети и сети хранения данных занимают важное место в развитии не только региональной экономики, но и науки и техники, образовании и культуры, здравоохранении, торговли и т. д. Это вызвано, в первую очередь, интенсивным ростом потребностей в распределенных прикладных и облачных вычислениях (Cloud computing), информационных и мультимедиа сервисах, дистанционных программных сервисах SaaS (Software as a Service), таких, как системы удаленного бухгалтерского учета, удаленной электронной почты, электронного документооборота, дистанционного обучения, торговли и сервисов, обеспечивающих безопасность передачи, хранения и восстановления данных, и т. д.

В целом, столь широкий спектр потребителей и независимых источников обработки и хранения информации, их территориальная разобщенность, технологическая и функциональная разобщенность создают значительные трудности объединения разнородных 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 сервисную сеть, входящую частично в мировую сеть Internet.

Однако, недостаток финансирования сетевых проектов со стороны государственных органов, ограниченность средств телекоммуникационных компаний, необходимых для создания единой интегрированной высокоскоростной среды, на сегодняшний день, не позволяют создать мощную основу для развития крупной сети регионального масштаба (хотя работы в этом направлении проводятся). Это определяет необходимость решения комплекса задач проектирования и повышения эффективности функционирования и увеличения производительности региональных территориально распределенных сервисных сетей (региональных сервисных сетей, РСС) и сетей передачи, обработки и хранения данных (региональных сетей хранения данных, РСХД), как сложных взаимосвязанных систем обработки социально-экономической информации, на базе уже существующих телекоммуникационных и вычислительных решений, как одной из составляющих Единой сети электросвязи Российской Федерации (ЕСЭ) в направлении развития от сетей NGN (Next Generation Network) к сетям NGN с IMS (IP Multimedia Subsystem) или к сетям All-IP.

Важнейшим показателем потенциальных возможностей ресурсов сети является пропускная способность центров обработки, передачи и хранения данных для РСС и РСХД, управляемых протоколами IP (Internet Protocol) и SIP (Session Initiation Protocol) для сети NGN. Однако применяемые в настоящее время модели описания процессов функционирования РСС и РСХД являются недостаточно адекватными для проектирования и построения сети NGN или перехода от существующих сетей к сетям NGN с IMS. В частности, анализ существующих подходов к решению задачи оптимизации параметров РСС и РСХД показывает, что ряд существенных черт, факторов и механизмов, определяющих эффективность функционирования сети, необоснованно упрощается.

Разнородный и строго иерархический характер взаимного обмена данными между узлами сети предопределяет необходимость развития принципов модернизации или построения новой сети — сети нового поколения, выделения программно-аппаратных средств информационного обмена (СИО) на операционном, системном и внешнем уровнях в самостоятельный объект сети, подвергающийся процедурам оптимизации выбора.

Существующие методики выбора оптимальной структуры сети и параметров работы её структурных элементов не учитывают степень необходимой связности между узлами сети, характеризующей сложность передачи данных, интенсивность обмена и обработки информации, сложность ее передачи, влияние внешних факторов и тому подобное.

Таким образом, возникает потребность в создании более совершенных моделей описания процессов функционирования РСС и РСХД и методик выбора оптимальных решений по организации и выбору варианта построения региональной или глобальной сети.

В работе в качестве объекта исследования рассматривается в комплексе региональная сервисная сеть передачи, обработки и хранения социально-экономической информации (региональная сервисная сеть хранения данных, РССХД), как совокупность технологий построения распределенных сетей NGN. Узлами РСCХД являются административный и районные центры, представляющие собой сложные аппаратно-программные комплексы, и соединяющие их в единую систему разнородные каналы передачи информации.

Предметом исследования являются модели, методики и методы оптимизации структуры организации сети нового поколения, каналов связи и операционных характеристик РССХД.

Научная проблема исследования состоит в разработке методического обеспечения процессов формирования новой структуры или оптимизации старой, определения параметров региональной сервисной сети передачи, обработки и хранения данных с учетом характера информационного обмена, а также состояния и перспектив развития каналов связи между узлами сети нового поколения в рамках имеющихся ресурсных ограничений.

Цель исследования состоит в повышении производительности распределенной сервисной сети передачи, обработки и хранения данных, как сети следующего поколения на основе разработки нового методического обеспечения выбора ее оптимальной структуры и операционных характеристик с учетом характера функционирования системы информационного обмена.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие основные задачи:

1. провести анализ технологий и особенностей построения распределенных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных, как сетей нового поколения;

2. исследовать модели и методы проектирования распределенных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных;

3. предложить комплексную модель построения и функционирования региональной сервисной сети передачи, обработки и хранения данных, представляющую собой совокупность модели функционирования центра обработки информации и системы в целом;

4. разработать методику выработки альтернативных вариантов организации РССХД на основе вертикальной и горизонтальной структуризации узлов сети, отношения между которыми определены матрицей связности;

5. разработать методику оценки необходимой связности узлов сети с учетом информационной близости состава решаемых задач, обрабатываемой информации и характеристик каналов связи;

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

7. сформировать по результатам моделирования альтернативные, допустимые и предпочтительные варианты построения системы информационного обмена сети следующего поколения;

8. осуществить выбор рационального варианта построения системы информационного обмена сети следующего поколения;

9. обосновать выбор рационального варианта построения системы информационного обмена региональной сервисной сети и произвести оценку эффективности предложенной разработки;

10. 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 сервисной сети передачи, обработки и хранения данных, как сети следующего поколения;

11. разработать предложения и рекомендации по выбору рациональной структуры при проектировании РССХД и повышению эффективности ее функционирования.

12. разработать соответствующее научно обоснованные техническое решение, внедрение которого позволит внести значительный вклад в развитие экономики страны и провести апробацию результатов исследования.

Методы исследования

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

Научные положения, выносимые на рассмотрение:

1. Модель функционирования региональной сервисной сети, учитывающая структуру сети, операционные характеристики сети хранения информации и системы информационного обмена, топологию и характеристики сети связи;

2. Комплекс методик выработки альтернативных вариантов организации региональной сервисной сети передачи, обработки и хранения данных, в рамках которого разработаны:

— методики вертикальной и горизонтальной структуризации узлов сети на основе обработки матрицы необходимой связности;

— методика интегральной оценки связности узлов сети с учетом их необходимого информационного взаимодействия, связности решаемых задач и параметров каналов связи.

3. Комплекс методик выбора рациональной структуры сервисной сети передачи, обработки и хранения данных, в рамках которого разработаны:

— методика выбора топологии и пропускной способности каналов связи;

— методика определения загрузки и производительности сервера центра обработки информации;

— методика выбора протокольных параметров связи.

4. Методика выбора рационального варианта системы информационного обмена в распределенной сервисной сети передачи, обработки и хранения данных.

Научная новизна исследований состоит в следующем:

— В комплексе методик выработки альтернативных вариантов организации региональной сервисной сети передачи, обработки и хранения данных, в отличие от существующих, учитывается степень необходимой связности узлов сети, интегрально оценивающей степень информационной взаимосвязанности решаемых узлами задач и параметры сервисной сети связи, определяемые как степень их соответствия требованиям информационного обмена. Такой подход дает возможность учесть широкий спектр действующих на систему факторов, оценка степени которых осуществляется на основе применения метода анализа иерархий.

— В методике вертикальной структуризации на основе применения алгоритма расчета порядковой функции графа реализуется процедура построения эквивалентного произвольному ациклическому графу связности узлов сети иерархического графа, определяющего порядок распределения узлов сети по иерархическим уровням. При пошаговом снижении требований к учету связности узлов сети представляется возможным определить все допустимые варианты иерархического распределения узлов сети, а при условии их кластеризации (горизонтальной структуризации) на каждом уровне сформировать предложения по выбору вариантов аппаратно-программного обеспечения функционирования сети.

— В комплексе методик рациональной структуры сети передачи, обработки и хранения данных в отношении каждого варианта иерархического представления структуры сети обеспечивается выбор операционных характеристик, а также топологии и пропускной способности каналов связи с учетом влияния системы информационного обмена и ресурсных возможностей в условиях использования разнородных каналов связи. Полный анализ характеристик каждого варианта организации сети позволяет с помощью разработанной модели функционирования региональной сети оценить эффективность его функционирования и далее выбрать рациональный вариант ее развития.

— В методике выбора рационального варианта построения системы информационного обмена отбор вариантов осуществляется на основе векторного критерия оптимизации в факторном пространстве «эффективность-стоимость». Используется метод скаляризации целевой функции с неравнозначными критериями.

Достоверность и обоснованность работы подтверждены использованием современного апробированного математического аппарата, сочетанием теоретических и экспериментальных исследований и непротиворечивостью их результатов, а также результатами оценки эффективности практического применения разработанного методического аппарата.

Практическая значимость работы

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

Методическое обеспечение может быть использовано при разработке и реализации телекоммуникационных проектов целевых программ информатизации регионов Российской Федерации, при развитии сетей отечественных мобильных операторов Интернет, фиксированной и мобильной связи, и при развитии Единой сети электросвязи Российской Федерации. Применение разработанного методического обеспечения позволит ускорить процесс проектирования, снизить финансовые и временные затраты при выборе приемлемого решения, построить или модернизировать сети нового поколения субъектов Российской Федерации, отвечающих предъявляемым требованиям к передаче, обработке и хранению данных.

Внедрение результатов работы

Разработанные модели, методы и программное обеспечение, а также методика его использования внедрены в компании «Сетевые Системы» при проведении НИОКР и разработке нового технического решения «PyrOS firewall», на базе встраиваемой операционной системы «РyrOS» (свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2005612532, №2005612795, №2005612796, №2005612749). Работы выполнялись в период с 2005 по 2009 годы. «PyrOS firewall» разработан с учетом требований, предъявляемых к межсетевым экранам 3-го и 4-го класса согласно руководящему документу Гостехкомиссии РФ «Средства вычислительной техники. Межсетевые экраны. Защита от несанкционированного доступа к информации. Показатели защищенности от несанкционированного доступа к информации»,¹²,¹³,¹⁴,¹⁵.

Результаты НИОКР опубликованы в отдельной книге «Разработка встраиваемой сетевой операционной системы PyrOS».¹⁶

Комплекс методик, модели и методы, представленные в работе были использованы при разработке электронной универсальной системы машинного обучения «Atlansys EUS» (свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2023619721).¹⁷

Апробация работы

Основные результаты разработок представлялись автором на международной выставке CeBIT в Германии город Ганновер в период с 2006 по 2009 годы. Основные положения, теоретические выводы и практические рекомендации работы докладывались на научно-практических конференциях в Российской Федерации, включая научно-технические семинары и совещания исполнителей НИР в ОАО «Научно-производственное предприятие межотраслевой центр эргономических исследований и разработок» (ОАО «НПП «ЭРГОЦЕНТР»).

Структура работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

Примечания

12

Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005612532. Операционная система «PyrOS» для аппаратно-программных межсетевых экранов / А. Ю. Чесалов, А. В. Борисович, В. Ю. Вершинин, П. А. Жуков. — 28.09.2005 г. — М.: Роспатент, 2005.

13

Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005612795. Модуль управления межсетевым экраном fwctl / А. Ю. Чесалов, А. В. Борисович, В. Ю. Вершинин, П. А. Жуков. — 27.10.2005 г. — М.: Роспатент, 2005.

14

Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005612796. Командный интерпретатор межсетевого экрана fwsh / А. Ю. Чесалов, А. В. Борисович, В. Ю. Вершинин, П. А. Жуков. — 27.10.2005 г. — М.: Роспатент, 2005.

15

Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005612749. Технологическая программа автоматизированной сборки загрузочного образа встраиваемой операционной системы «PyrOS» / А. Ю. Чесалов, А. В. Борисович, В. Ю. Вершинин, П. А. Жуков. — 27.10.2005 г. — М.: Роспатент, 2005.

16

Чесалов А. Ю. Разработка встраиваемой сетевой операционной системы PyrOS / А. Ю. Чесалов. — 1-е изд. — Москва: Ridero, 2023. — 220 с. — URL: https://ridero.ru/books/razrabotka_vstraivaemoi_setevoi_operacionnoi_sistemy_pyros/ (дата обращения: 31.05.2023). — Текст: электронный.

17

Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2023619721. Т электронная универсальная система машинного обучения «Atlansys EUS» / А. Ю. Чесалов, А. Х. Юлдашев. — 15.05.2023 г. — М.: Роспатент, 2023.