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

Рецензия д. т. н., профессора кафедры системного анализа и исследования операций Института информатики и телекоммуникаций Сибирского государственного университета науки и технологий им. Н. Ф. Решетнева А. А. Ступиной

Рецензия Заведующего лаборатории искусственного интеллекта, профессора кафедры информатики Института космических и информационных технологий Сибирского федерального университета, д.т.н. О.А. Антамошкина

Рецензия Ведущего научного сотрудника лаборатории проблем компьютерной безопасности Санкт-Петербуржского Федерального исследовательского центра Российской Академии наук, д.т.н., профессора И. Б. Саенко

Рецензия Заместителя генерального директора по науке ООО «НТЦ АРГУС», д.т.н., профессора Б. С. Гольдштейна

Актуальность: определяется необходимостью совершенствования системы управления социально-экономического развития субъектов Российской Федерации, требующих оперативной оценки текущего состояния телекоммуникационной инфраструктуры. Существующая система информационного обеспечения управления не отвечает требованиям оперативности и полноты представляемой информации и таким образом не обеспечивают требуемые качественные показатели управления и оперативности принимаемых решений.

Особенностью существующих региональных систем обработки и хранения информации является их разнородность, как по составу технических средств, программного обеспечения, так и по форматам и протоколам передаваемой информации. Кроме этого, существующие сети обработки и сбора информации являются разнородными по составу используемых технических средств передачи информации. Все это вызывает существенные трудности в организации единой сети сбора обработки и хранения информации в интересах управления народным хозяйством в регионах страны. Указанные особенности определяют несомненную актуальность темы исследования.

В первом и втором томах монографии автор дает анализ и определяет общие тенденции развития сетевых технологий вычислительной техники и средств коммутационного обеспечения, применяемые в настоящее время в передовых технологиях сетевой обработки информации. Абсолютно справедливо автором указывается на то, что основные тенденции, связанные с развитием сетевых технологий сбора и обработки социально-экономической информации связаны с существующими тенденциями технологических проектов, определяемых как «сети следующего поколения».

Автор дает критический анализ существующих методик проектирования региональных сервисных сетей передачи обработки и хранения данных (РССХД), указывает на существенные недостатки в выборе топологии сетей, системы информационного обмена и модельного обеспечения функционирования сетей в целом. В частности, следует согласится с автором, что существующие методы топологического выбора сетей не учитывают информационную взаимосвязанность узлов, их иерархическую соподчиненность по агрегируемой информации.

Кроме этого, справедливо указывается необходимость отдельного учета в выборе технических средств и программного обеспечения сетей информационного обмена, предполагая их необходимую иерархическую взаимосвязанность узлов сети по характеру обрабатываемой информации. Также следует считать справедливым указание автора на то, что в вопросах топологического анализа узлов сети на современных системах не учитывается их кластерный характер взаимосвязанности в обработке и агрегировании информации.

В целом выполненный анализ позволил автору сделать необходимые выводы о доработке существующих методик, определить научную проблему, цель и задачи исследования, изложенного в первом и втором томах монографии.

Также автором определены основные направления топологического синтеза РССХД. Для этого на основе достаточно подробного анализа существующих методов топологического синтеза сетей им разработана методика оптимального построения РССХД на основе определения множества альтернативных деревьев организации связи узлов, учитывающая их кластерный характер взаимосвязи, возможности организации связи и степень семантической близости обрабатываемой информации.

Для решения этих задач автором введено новое понятие «необходимой связности узлов». Введение этого понятия дало возможность автору реализовать процедуры автоматической генерации вертикальной организации сети на основе расчета порядковой функции графа необходимой связности узлов сети.

Такой подход в целом дает возможность осуществить генерацию деревьев связности РССХД и выбрать рациональный вариант организации сети. Для этого автором предлагается использовать методы векторной оптимизации, применение которых обеспечивает учет многоцелевого характера функционирования сети, ее технической и программной реализации. Вместе с тем, в данной главе автором не прописывается четко процедура перехода от альтернативных деревьев организации, к их аппаратно-программному обеспечению функционирования. Кроме этого, предлагаемая им методика кластеризации узлов не обеспечена соответствующим выбором аппаратно-программных средств их функционирования.

В монографии автором дано описание методик выбора операционных характеристик «сетей нового поколения», исходя из основного критерия эффективности функционирования сети по параметру пропускной способности. В частности, им описаны: методические подходы к выбору пропускной способности каналов связи; определения оптимальной загрузки и производительности сервера, выбора протокольных параметров и оборудования передачи данных. Кроме этого, в этой же главе систематически изложена вся процедура проектирования сети с учетом определения ее операционных характеристик.

В целом предложенные методики позволяют решать указанные задачи и составляют единое целое. Однако, автором недостаточно полно методически показана взаимосвязь методик топологического анализа и последующей оценки и выбора операционных характеристик «сетей нового поколения» или РССХД.

Автором предлагается комплекс методик обоснования рационального варианта организации информационного обмена. Им определены требования к организации информационного обмена в РССХД, исходя из характера и особенностей решаемых задач. В этом разделе автором совершенно справедливо указывается на то, что существующие тенденции организации управления социально-экономического развития регионов обеспечиваются на основе строгой иерархической взаимосвязи уровней управления, состав циркулирующей информации в которых существенно отличается по степени агрегирования. Именно этот фактор определил необходимость выделения оперативного, системного и внешнего уровней взаимодействия отдельных узлов сети, требующих различных способов организации информационного обмена. В целом для решения подобных задач автором представлена методика выбора сети информационного обмена на основе применения векторных критериев оптимизации.

Автором рассмотрены результаты практического внедрения методик путем сравнения характеристик существующей и модернизируемой на основе применения предложенного методического обеспечения РССХД. Показано, что применения методического аппарата позволяет существенно улучшить характеристики сети и повысить однородность загрузки оборудования.

Основными научными результатами, полученными лично автором, являются:

1. Модель функционирования региональной 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 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 сети передачи, обработки и хранения данных, в рамках которого разработаны:

· методика выбора рациональной структуры региональной сети передачи, обработки и хранения данных и пропускной способности каналов связи;

· методика определения загрузки и производительности сервера;

· 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.

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

5. Разработано научно обоснованное техническое решение – операционная система «PyrOS» для аппаратно-программных межсетевых экранов, маршрутизаторов, коммутаторов и систем предотвращения сетевых вторжений, внедрение которого вносит значительный вклад в развитие экономики страны (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005612532).

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. В комплексе методик выработки альтернативных вариантов организации региональной сети, в отличие от существующих, учитывается степень необходимой связности узлов сети, интегрально оценивающей степень информационной взаимосвязанности решаемых узлами задач и параметры 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.

2. 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 при таком подходе 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.

3. 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.

4. 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.

Практическая значимость: в результате проведенных в рамках данной работы исследований сформирована алгоритмическая и методологическая основа синтеза региональных распределенных сетей, как «сетей нового поколения», в условиях использования разнородных каналов связи.

Вместе с тем в работе отмечены следующие недостатки:

1. Автор предлагает решать задачу выделения сильносвязных узлов сети на основе применения аппарата структурных чисел Беллерта. Применение этого аппарата в целом оправдано. Алгоритм оригинален. Однако он хорошо работает только в условиях бинарных значений связности узлов. Учитывая это, автор вводит в рассмотрение весовые коэффициенты (раздел 2.4) и не раскрывает их содержание и взаимосвязь с параметрами необходимой связности, хотя она очевидна.

2. Автор вводит понятие «параметр необходимой связности» учитывая в едином критерии информационную связность узлов и возможности реализации сети связи между ними. В целом такое представление связности во многом оправдано. Однако, неясно, как при этом выбираются весовые коэффициенты, что может быть положено в основу их выбора.

3. Автор долго не публиковал монографию. Многие из представленных расчетов не являются актуальными.

Тем не менее, сделанные замечания вовсе не умаляют высокой оценки исследования в целом. Автору рекомендуется провести работу по изучению новой концепции проектирования интеллектуальных сетей или, так называемых, «сетей будущего», предложенных Международным союзом электросвязи – ITU в своих рекомендациях и стандартах.

Вывод

Разработанное автором методическое обеспечение может быть использовано при разработке и реализации сетевых проектов целевых программ цифровизации субъектов Российской Федерации. Его применение 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.

Несомненно, монография имеет достаточно весомое научное значение, соответствует требованиям к издаваемым монографиям (научным изданиям) ВАК и будет интересна для специалистов работающих в области информационных технологий, инженеров и ученых занимающихся проблемами исследования и проектирования распределенных вычислительных систем и сетей передачи данных, а также будущим аспирантам, работающим по научным специальностям 2.3.1. «Системный анализ, управление и обработка информации, статистика» и научной специальности, Паспорт специальности 2.3.2. Вычислительные системы и их элементы, 2.3.3. «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» и 2.2.15. Системы, сети и устройства телекоммуникаций.

Монография рекомендуется к публикации.

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;