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

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.

Глава 1

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЕГИОНАЛЬНОЙ СЕРВИСНОЙ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ, ОБРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ (РСCХД): АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Актуальность проектирования и повышения эффективности региональных сетей

Информационные ресурсы являются одним из важнейших видов ресурсов для всех без исключения органов управления, в том числе и для областных органов государственной власти.

Внедрение информационных систем представляет в настоящее время процесс, который происходит и в России, и за ее пределами, и отражает динамику и сложность экономики, расширяющиеся международные связи и кооперацию по решению ряда экономических, социальных и политических задач.

Анализ ситуации в регионах РФ показал, что в большинстве из них сервисных сетей и (или) сетей передачи, обработки и хранения данных, в полном понимании рассматриваемой в работе концепции региональных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных (РССХД) не существует. Например, в более чем 50% районах Тверской области отсутствуют высокоскоростные каналы передачи данных, более 80% устаревшего сетевого и серверного аппаратно-программного обеспечения и т. д.

Опыт ведущих стран показывает, что в процессе информатизации для получения результата необходимо, в первую очередь, решить проблемы учета имеющихся трудовых, финансовых и материальных ресурсов, в виде соответствующих социально – экономических информационных систем, баз данных и предоставления данной информации в виде мобильных информационных сервисов. В этом случае появляется возможность решать вопросы комплексного развития территории на основе анализа многоаспектной информации.

На сегодняшний день, во многих странах создана и действует информационная индустрия с мощной инфраструктурой, обеспечивающей необходимую поддержку большого числа современных информационных и мобильных сервисов, удаленных услуг SaaS (Software-as-a-Service) (Рис. 1.1), удаленных центров обработки данных (ЦОД) с поддержкой облачных вычислений (cloud computing) (Рис. 1.2) и функций удаленного хранения информации в рамках сетей NGN (Next Generation Network) и сетей IMS (IP Multimedia Subsystem),1819,20,21,22,23,24.

Рисунок 1.1. Наиболее востребованные российскими компаниями облачные сервисы в 2011 году (% компаний)

Кроме того, постоянное развитие и увеличение информационно-технического потенциала предприятий и инициирует потребность к территориально распределенной информационной интеграции с использованием сети Internet, что приводит к резкому увеличению передаваемого по сети трафика в условиях использования, как правило, низкокачественных и низкоскоростных линий связи и необходимости хранения локально больших массивов данных. Следствием этого, стабилизация и совершенствование социально-экономической сферы регионов требуют поддержки, совершенствования и развития региональных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных в соответствие с мировыми требованиями и стандартами.

Рисунок 1.2. Ожидаемый экономический эффект от облачных вычислений для пяти крупнейших экономик Европы к 2015 году (млрд. евро/год)

РСCХД предъявляют высокие требования к эффективному использованию средств передачи, обработки и хранения данных, к уровню обслуживания клиентов сети и уровню предоставляемых Интернет и мобильных сервисов. В связи с этим, одной из важнейших проблем, которую приходится решать при проектировании и внедрении сетевых проектов и их эксплуатационном сопровождении, является проблема адекватного описания процессов в моделях, используемых при проектировании и организации эффективной работы распределенных региональных сервисных сетей в различных условиях функционирования.

На сегодняшний день задача построения региональной сервисной сети передачи, обработки и хранения данных стоит достаточно остро не только для отдельно взятого региона, но и имеет большое практическое значение для большинства регионов Российской Федерации.

1.2. Применение концепции построения сетей следующего поколения (Next Generation Network, NGN) для РССХД

1.2.1. Общие положения концепции NGN

В настоящее время наблюдается бурный рост и развитие концепций и технологий построения и модернизации глобальных и региональных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных (РССХД).

Исторически выделяют три основных этапа развития сетей общего пользования, оборудование которых продолжает активно использоваться (Рис.1.3).

Рисунок 1.3. Схемы распределения функций узла коммутации в различных сетевых конструкциях

Традиционные телефонные сети – сети первого поколения, или POTS (Plain Old Telephone Service), использующие аналоговые системы передачи и узлы коммутации декадно-шаговых, координатных, квазиэлектронных и ранних версий цифровых систем коммутации.

С середины 1980-х годов начала развиваться сетевая концепция ISDN (Integrated Services Digital Network), которая предусматривала использование цифровых систем передачи данных через цифровые узлы коммутации (сети второго поколения).

Уже в конце 90-х годов с развитием Интернета и появлением новых технологий и стандартов, а также с большим ростом пользователей услуг, возникла потребность в сетевой концепции, не только не уступающей по своим характеристикам телефонной сети общего пользования (ТфОП), но и технологически превосходящей ее. Это потребовало разработки новых стандартов и решений, обеспечивающих передачу различных видов информации и предоставления различных видов услуг в рамках единой сетевой структуры, которая в последствие получила название – NGN (Next Generation Network) и стала основой для развития сетей третьего поколения.

Большую роль в формировании концепции и стандартов развития NGN сыграли:

– IPCC (International Packet Communication Consortium),

– ETSI / TISPAN (European Telecommunications Standards Institute/ Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking),25,26,27,28,29,30,31,32,33,34.

– Международный союз электросвязи (МСЭ или ITU – International Telecommunicational Union),3536,37,38,39,40.

– Группа 3GPP (Third Generation Partnership Project).

Под сетью NGN (Next Generation Network) понимают гетерогенную мультисервисную сеть, основанную на пакетной коммутации и обеспечивающую предоставление практически неограниченного спектра телекоммуникационных сервисов.41

Ниже, на рисунке 1.4, приводится архитектура сети NGN, описанная в рекомендации ITU-T Y.2012:

Рисунок 1.4. Архитектура сети NGN согласно ITU-T Y.2012

В рекомендации Y.2012 определяется, что архитектура сети NGN поддерживает доставку контента и мультимедиа сервисов, включая цифровое телевидение и радиовещание.42

В последствие TISPAN расширило архитектуру сети NGN и ввело, разработанную 3GPP, подсистему IMS (IP Multimedia Subsystem).

Рисунок 1.5. Компоненты сети NGN TISPAN

IMS определяют как All-IP-систему управления сетью 3G, эффективно использующую принципы Softswitch и возможности протокола SIP.

Основным достоинством NGN TISPAN является то, что все подсистемы рассматриваются не как совокупность узлов, а как набор функциональных модулей, каждый из которых может быть реализован произвольным набором физических элементов. Все модули взаимосвязаны посредством стандартизированных интерфейсов. Взаимодействие функциональных модулей осуществляется по сигнальному протоколу SIP,43.44

Необходимо отметить, что 2001 году в России был принят документ «Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России». В нем даны основные определения и рассмотрены основные проблемы, связанные с переходом к сетям NGN.45

В соответствии с этим положением термин NGN определяется, как концепция построения сетей связи, обеспечивающих предоставление неограниченного набора услуг с гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений, предполагающая реализацию универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы и интеграцию с традиционными сетями связи.

Рисунок 1.6. Пример сети, построенной в соответствии с основными положениями по построению мультисервисных сетей на ВСС России

Согласно международным рекомендациям МСЭ, сети NGN должны решать следующие задачи:

· способствовать честной конкуренции;

· поощрять частные инвестиции;

· определять принципы архитектуры и возможности для приведения в соответствие с различными регламентирующими требованиями;

· обеспечивать открытый доступ к сетям;

· обеспечивать универсальное предоставление услуг и доступ к ним;

· способствовать обеспечению равных возможностей для всего населения;

· способствовать разнообразию содержания, включая культурное и языковое разнообразие.

1.2.2. Основные характеристики и функциональная модель NGN

Выделяют следующие основные характеристики сетей NGN:

– передача информации с пакетной коммутацией;

– разделение функций управления между пропускной способностью канала-носителя, вызовом/сеансом, а также приложением/услугами;

– развязка между предоставлением услуг и транспортировкой и предоставление открытых интерфейсов;

– поддержка широкого спектра услуг, приложений и механизмов на основе унифицированных блоков обслуживания (включая услуги в реальном масштабе времени, в потоковом режиме, в автономном режиме и мультимедийные услуги);

– возможности широкополосной передачи со сквозной функцией QoS (качества обслуживания)46,47.

– взаимодействие с существующими сетями с помощью открытых интерфейсов;

– универсальная мобильность;

– неограниченный доступ пользователей к разным поставщикам услуг;

– разнообразие схем идентификации;

– единые характеристики обслуживания для одной и той же услуги с точки зрения пользователя;

– сближение услуг между фиксированной и подвижной связью;

– независимость связанных с обслуживанием функций от используемых технологий транспортировки;

– поддержка различных технологий «последней мили»;

– выполнение всех регламентирующих требований, например, для аварийной связи, защиты информации, конфиденциальности, законного перехвата и т. д.48

Сеть NGN должна предоставлять возможности (транспортные ресурсы, протоколы и т. д.) для целей создания, развертывания и управления всеми возможными видами услуг.

В перечень входят услуги, использующие среду разного вида (аудио, визуальную, аудиовизуальную) со всеми типами схем кодирования и услуги передачи данных, диалоговые, с адресацией конкретному устройству, групповой адресацией и вещанием, услуги передачи сообщений, простой передачи данных в реальном масштабе времени и в автономном режиме, с регулированием задержки и устойчивые к задержке услуги.

Услуги с различными требованиями к ширине полосы от нескольких Мбит/с до нескольких Гбит/с, с гарантированной полосой или без, должны поддерживаться в рамках возможностей технологии транспортировки.

В сетях NGN делается особый упор на обеспечение соответствия требованиям заказчика со стороны поставщиков услуг, причем некоторые из поставщиков будут предлагать своим клиентам возможность настройки своих собственных услуг.

NGN должна включать связанные с обслуживанием интерфейсы программирования приложений (API), чтобы поддерживать создание, предоставление и управление услугами.

Одной из основных характеристик NGN является отделение услуг от транспорта, что позволяет предлагать их отдельно и развивать независимо. Поэтому в архитектуре NGN должно быть четкое разделение между функциями обслуживания и функциями транспортировки.

Концепция NGN позволяет предоставлять как существующие, так и новые услуги вне зависимости от используемой сети и типа доступа. Таким образом, в базовой функциональной модели МСЭ сети NGN выделяют два слоя: транспортный (Transport Stratum) и сервисный (Service Stratum). На рисунке 1.7 взаимодействие между функциями по передаче информации изображено сплошной линией, а по управлению – пунктирной.

Рисунок 1.7. Функциональная модель NGN в соответствии с ITU-T Y.2012

Транспортный слой включает в себя зависимые уровни OSI и обеспечивает перенос информации между двумя географически разделёнными точками.

В частности, транспортный слой обеспечивает обмен информацией между следующими объектами (Рис.1.8):

· Интерфейс «сеть – сеть» (Network-Network Interface (NNI),

· Интерфейс «пользователь – сеть» (User-Network Interface (UNI),

· Интерфейс сетевых приложений (Application Network Interface (ANI).

Рисунок 1.8. Взаимодействие UNI – NNI согласно ITU-T Y.2012

Транспортный уровень (Transport stratum) обеспечивает взаимодействие с пользователями сети NGN посредством подсистемы Transport control functions, включающий Network Attachment Control Functions (NACF) и Resource and Admission Control Functions (RACF), которые являются неотъемлемой частью сети NGN.

Транспортная архитектура NGN сетей включает три основных уровня:

1. Магистральные сети. На уровне магистралей в NGN используется технология IP/MPLS, которые могут накладываться поверх существующих сетей с коммутацией каналов или создаваться заново. Возможные варианты технологий доступа хорошо известны, это – ТФОП, ADSL, LAN, HFC, WLAN, GSM, UMTS, CDMA 2000, WiMax и т. д.

2. Опорные/городские сети. На данном уровне устанавливаются, как правила, традиционные АТС (междугородние, городские и районные) постепенно замещаются медиашлюзами (Media Gateway), которые управляются программными коммутаторами (SoftSwitch) и переправляют потоки в сеть доступа.

3. Сети доступа.

В транспортном слое могут применяться все типы сетевых технологий, а именно:

· ориентированная на соединение коммутация каналов (connection-oriented circuit-switched – CO-CS);

· ориентированная на соединение коммутация пакетов connection-oriented packet-switched – CO-PS), неориентированная на соединение коммутация пакетов (connectionless packet-switched – CLPS).

Однако для построения NGN предпочтение отдаётся технологиям на базе IP с поддержкой качества обслуживания.

Рисунок 1.9. Разделение услуг и транспорта в NGN

Сервисный слой может включать в себя сложный набор географически распределённых сервисных платформ или в простейшем случае набор функций, реализованный двумя конечными пользователями. Для предоставления полного набора услуг в сервисный слой включаются прикладные функции. Примерами служб, реализуемых на данном уровне, могут быть передача речи, данных, видео или любая их комбинация. На рисунке 1.9 приведён пример услуг (сервисов), обеспечиваемый сетью NGN.

Рисунок 1.10. Основная эталонная модель NGN

Каждый слой содержит один или несколько уровней. Уровень состоит из трёх плоскостей:

· плоскость пользователя;

· плоскость контроля;

· плоскость менеджмента.

Основная эталонная модель NGN показана на рисунке 1.10.

При построении сети, удовлетворяющей концепции GII, в функциональной модели NGN МСЭ выделяет три категории объектов: функции, сервисы, ресурсы.

Сервисы реализуются различными функциями с помощью доступных ресурсов. Один и тот же сервис может реализовываться разным набором функций и наоборот, одна функция может использоваться для реализации различных сервисов. Их взаимосвязь показана на рисунке 1.11. Функции NGN представлены на рисунке 1.12.

Рисунок 1.11. Обобщённая функциональная модель NGN

При любой из нынешних концепций транспортный уровень NGN должен обеспечивать создание полно связной инфраструктуры для пакетной передачи данных разного типа с поддержкой QoS.

Предполагается, что сеть NGN должна поддерживать:

· услуги связи пункта с пунктом в транспортном слое, без адаптации;

· услуги связи пункта с пунктом в транспортном слое, включая функции адаптации;

· услуги связи пункта со многими пунктами в транспортном слое, включая функции адаптации.

Рисунок 1.12. Иллюстрация функций NGN

При любой из нынешних концепций транспортный уровень NGN должен обеспечивать создание полно связной инфраструктуры для пакетной передачи данных разного типа с поддержкой QoS.