Бесплатный фрагмент - Методология построения распределенных сетей передачи, обработки и хранения данных: сервисные сети следующего поколения

Посвящение

Книга посвящается человеку, который оказал влияние на всю мою жизнь — моему Учителю, научному руководителю, заведующему кафедрой «Информационные системы» с 1994 года и по настоящее время Тверского государственного технического университета, заслуженному работнику высшей школы Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Борису Васильевичу Палюху. Благодаря ему я смог сделать главный выбор в свей жизни — стать специалистом в области информационных систем.

Предисловие

Александр Юрьевич Чесалов.

Член экспертной группы по вопросам цифровизации деятельности Уполномоченного по правам человека в Российской Федерации,

Член Экспертного совета при Комитете Государственной Думы по науке и высшему образованию по вопросам развития информационных технологий в сфере образования и науки.

Разработчик программы Центра искусственного интеллекта МГТУ им. Н. Э. Баумана, программы «Искусственный интеллект» и «Глубокая аналитика» проекта «Приоритет 2030» МГТУ им. Н. Э. Баумана в 2021—2022 годах.

Сертифицированный специалист: IBM Professional certificate foundations of AI, IBM Professional certificate Essential Technologies for Business и др.

Добрый день, дорогие друзья и коллеги!

Представляю вам свою научно-исследовательскую работу на тему «Методология построения распределенных сетей передачи, обработки и хранения данных: сети следующего поколения. Монография. Том 2».

В 2003 году в Тверском государственном техническом университете я защитил кандидатскую диссертацию по теме «Анализ и выбор рациональной структуры региональных распределенных сетей передачи, обработки и хранения данных» по специальности 05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации (в промышленности). На сегодняшний день — это специальность 2.3.1. «Системный анализ, управление и обработка информации, статистика».

В честь двадцатилетия с момента написания своей первой научной работы я принял решение опубликовать накопившийся у меня за последние годы значительный объем материалов, который будет издан в двух книгах:

Том 1. Раскрывает классические подходы к проектированию распределенных сетевых структур на основе разработанной 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. Основная работа по данному направлению выполнялась в период с 2000 по 2003 годы.

Том 2. Значительно дополняет содержанием том первый и раскрывает новые подходы к проектированию региональных распределенных сетей передачи, обработки и хранения данных на основе технологий следующего поколения — NGN (Next Generation Network), которые, в последствии, позволили перейти к «сетям будущего» (см. стандарты и рекомендации Международного союза электросвязи), функционирующих на основе технологий машинного обучения и искусственного интеллекта. Основная работа по данному направлению выполнялась в период с 2009 по 2011 годы.

На первый взгляд читателю может показаться, что информация в обеих книгах значительно устарела, а подходы и результаты нельзя применить в современной практике. Я и сам так долго думал до того момента, как в 2021 году меня не пригласили в МГТУ им. Н. Э. Баумана принять участие в создании Центра сильного и прикладного искусственного интеллекта.

Оглядываясь на свою практическую работу за последние двадцать лет я понял, что мои наработки пригодились мне в жизни не один раз, а результаты научно-исследовательских работ и общие подходы к проектированию сетевых инфраструктур передачи, обработки и хранения данных, которые изложены в данной книге, мною были апробированы на практике неоднократно в разные периоды времени и в разных проектах.

К значимым достижениям, основанных на моей работе, можно отнести следующие:

2003 год

Предложенный в работе методологический подход к определению загрузки и производительности сервера центра обработки информации, совместные работы, выполненные в соавторстве с д. т. н. Б.В. Палюхом и к. т. н. С.Л. Федченко, а также разработанная на его основе программа оценки соответствия производительности многопроцессорных ЭВМ числу решаемых задач были реализованы в проекте, выполненным ФГУП «Государственный испытательный центр программных средств и вычислительной техники» (город Тверь) для Центробанка Российской Федерации.

В дополнение к этому, результаты работы были использованы в:

— Администрации Тверской области, при проектировании региональной вычислительной сети обработки социально-экономической информации и при реализации проекта целевой программы информатизации — «Создание опорных пунктов информатизации в районных (городских) администрациях и муниципальных образованьях и отработка функционирования системы взаимодействия на базе внедрения электронного документооборота».

— Компании «ЛУКойл-Арктик-Танкер» при разработке сетевого проекта построения распределенной системы электронного документооборота компании на базе СУБД Lotus Domino R5.

2005 год

В период с 2005 до 2008 годы в компании «Сетевые системы» под моим непосредственным руководством проводились научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки (НИОКР) в области информационных технологий и сетевой безопасности.

Одним из основных результатов НИОКР стало создание встраиваемой сетевой операционной системы «PyrOS» для устройств сетевой безопасности: аппаратных файрволлов (firewall), систем обнаружения и предотвращения вторжений (Intrusion Detection Systems — IDS и Intrusion Prevention System, IPS) управляемых коммутаторов и других.

Операционная система «PyrOS» ничего общего не имела с клонированием Linux. Наш опыт в создании собственной системы базировался на знаниях FreeBSD и QNX. Первый прототип был создан на основе FreeBSD и промышленного сервера Advantech FWA-3140. В последующем ядро, драйвера и код были полностью переработаны. Был создан свой перечень управляющих команд и командный интерпретатор (как бы сейчас сказали: «свой язык программирования и управления сетевыми устройствами»).

В последствии данная разработка была высоко оценена на международной выставке CeBIT 2007, как техническое решение, специалистами компаний Intel, Cisco и тогда еще никому не известной компании Huawei.

Подробнее об этой разработке можно узнать из моей книги «Разработка встраиваемой сетевой операционной системы PyrOS».

2011 год

Написана диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук на тему: «Методология определения операционных характеристик и рациональной структуры региональных распределенных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных». Специальность 05.13.10 — Управление в социальных и экономических системах.

Работа посвящена развитию технологий сетей Next Generation Network (NGN) и применения их для построения региональных распределенных сетей.

Диссертация защищена в Межотраслевом центре эргономических исследований и разработок в военной технике (Тверское отделение (40-я лаборатория) НИИ авиационного оборудования) — филиала Центрального научно-исследовательского института экономики и конверсии (ЦНИЭК).

В том же году в компании «МТС» внедрена, разработанная нами система централизованного хранения, обработки и защиты конфиденциальной информации, расположенной в распределенных центрах обработки информации компании, на удаленных автоматизированных рабочих местах и терминалах — «Atlansys Atlansys Enterprise Security System» (https://atlansys.tech/atlansysess/). Система была установлена на 12 000 рабочих местах.

2021 год

1. Написана Программа центра разработки и внедрения сильного и прикладного искусственного интеллекта МГТУ им. Н. Э. Баумана по теме: «Создание платформы машинного обучения для автоматизации интеллектуальных сетей передачи, обработки и хранения гетерогенных данных на основе технологий доверенного искусственного интеллекта». По направлению: «Межотраслевые технологии искусственного интеллекта и искусственный интеллект для иных приоритетных отраслей экономики и социальной сферы».

Основная цель программы Центра разработки и внедрения сильного и прикладного искусственного интеллекта МГТУ им. Н. Э. Баумана — создание специализированного программного комплекса — платформы машинного обучения для автоматизации обеспечения бесперебойной работы и улучшения качества услуг интеллектуальных сетей передачи, обработки и хранения гетерогенных данных (включая поддержку работы с широкополосными сетями передачи данных, сетями Wi-Fi, сети IoT и д.р.) на основе технологий доверенного искусственного интеллекта, а также:

— работу в распределенных облачных инфраструктурах для решения широкого круга межотраслевых задач индустриальных партнеров;

— создание и тестирование новых алгоритмов обучения нейронных сетей, которые могут применяться в широком спектре кросс-отраслевых прикладных решений;

— сделать существенных шаг для последующих исследованиях в направлении Сильного искусственного интеллекта.

Очень важным аспектом работы данной платформы является реализация задачи поддержания наиболее эффективной нагрузки на сеть по критерию производительности в условиях интенсивной маршрутизации обмена сообщениями. На основании исходных данных платформа может моделировать и прогнозировать поведение сети, информируя оператора о причинах сбоев или снижения эффективности работы сети, или помогая делать прогнозы по улучшению обслуживания сети, а также решать задачи по ее оптимизации.

Созданная «умная» платформа сможет также применяться крупными производственными компаниями при переводе производственных и технологических процессов на уровень «Индустрия 4.0» и промышленного Интернета вещей, для решения задач автоматизации обмена данными о процессах и автоматической реконфигурации без непосредственного участия человека.

Применение машинного обучения и искусственного интеллекта для решения подобных задач автоматизации и оптимизации сетевых параметров интеллектуальных сетей в ближайшем будущем позволит нам перейти к созданию новых сетевых систем — сетей будущего, которые способны автоматически решать сложные оптимизационные задачи и строить самостоятельно алгоритмы построения и развития сетей, что немаловажно, они смогут выполнять оптимизационные задачи быстрее и качественнее человека, что в будущем будет возможно с появлением сильного искусственного, который позволит создавать самоорганизующиеся сети передачи данных, объединяющие в себе сотовые сети, широкополосные сети, сети Wi-Fi, сети Интернета вещей, сети промышленного Интернета и другие сети специального назначения,,,,,,,,.

Совместно компанией «ЭР-Телеком Холдинг» — индустриальным партнером Центра разработано Техническое задание, которое позволит решить следующие основные задачи на базе создаваемой платформы:

1. Разработка подсистемы улучшения эффективной нагрузки и контроля качества эксплуатации интеллектуальной сети (инфокоммуникационной сети и сервисов).

2. Разработка подсистемы предиктивной аналитики для поддержки системы-принятия решений по эксплуатации сети.

3. Разработка подсистемы сбора и глубокого анализа данных сети IoT, с целью формирования специализированных баз данных, для дальнейшего создания, внедрения и предоставления платных сервисов клиентам (заказчикам, потребителям услуг).

Работа по написанию Программы центра разработки и внедрения сильного и прикладного искусственного интеллекта МГТУ им. Н. Э. Баумана выполнена в рамках конкурса проведенного в 2021 году Аналитическим Центром при Правительстве России по отбору получателей поддержки исследовательских центров в сфере искусственного интеллекта, в том числе в области «сильного» искусственного интеллекта, систем доверенного искусственного интеллекта и этических аспектов применения искусственного интеллекта. Программа высоко оценена независимыми экспертами.

Об этом проекте и его результатах я подробно рассказываю в книге «Как создать Центр искусственного интеллекта за 100 дней».

2. Подготовлен Отчет о научно-исследовательской работе МГТУ им. Н. Э. Баумана за 2021 год по теме: «Разработка методологии построения интеллектуальных сетей, определение их структуры и архитектуры, параметров функционирования с целью повышения производительности работы системы и пропускной способности каналов передачи данных с учетом возможности использования технологий машинного обучения и искусственного интеллекта». Работа выполнена в рамках конкурса «Приоритет-2030»: «Искусственный интеллект как сервис», проведённого Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.

2023 год

Разработана электронная универсальная система машинного обучения «Atlansys EUS» (Electronic Universal System, EUS).

Название платформы выбрано не случайно и является отсылкой к 80-м и 90-м годам двадцатого века, к эпохе зарождения и развития компьютерных технологий, автоматизированных и экспертных систем.

Платформа «Atlansys EUS» создана для разработчиков и пользователей сервисов искусственного интеллекта. Она предоставляет цифровые сервисы, необходимые для разработки, развертывания и запуска приложений, использующих технологии машинного обучения и искусственного интеллекта в распределенных облачных средах для решения научных и бизнес-задач заказчиков.

Концепция «Atlansys EUS» — это автоматизированная реализация процесса «Data Mining -> Data Science -> Data Analysis -> Artificial Intelligence -> Machine Learning -> Value» через цифровые сервисы.

Как вы можете видеть, научно-исследовательская работа, представленная в первом томе, прошла красной нитью через многие из моих проектов, выполненных за последние двадцать лет в области информационных технологий. Я надеюсь она сможет быть полезной и вам в вашей работе.

Эта книга, как и мои многие другие, является исключительно личным опытом и проектом автора, а также абсолютно свободным к распространению документом. Вы можете использовать эту книгу и представленную в ней информацию по-своему усмотрению, но ссылка на нее обязательна.

Приятного Вам чтения и продуктивной работы!

Ваш, Александр Чесалов.

Сайт: chesalov.com

E-mail: aleksander.chesalov@yandex.ru

01.07.2023

Благодарность

Выражаю глубокую благодарность всем тем людям, которые помогли мене поверить в свои силы, провести работу над накопленным за последние двадцать лет материалом и издать эту книгу в двух томах.

Особую благодарность выражаю Директору Научно-исследовательского института энергетического машиностроения МГТУ им. Н. Э. Баумана, к.т. н. Крылову Владимиру Ивановичу, Заместителю директора Научно-исследовательского института энергетического машиностроения МГТУ им. Н. Э. Баумана, к.т. н. Французову Максиму Сергеевичу и Руководителю департамента искусственного интеллекта НОЦ «Технологии искусственного интеллекта» МГТУ им. Н. Э. Баумана, к.т. н. Тынченко Вадиму Сергеевичу.

Выражаю благодарность всем ученым, которые поддержали меня в моей инициативе опубликовать монографию, нашли время на ознакомление с данной работой и подготовили на нее свои рецензии, а именно:

— Ректору Ульяновского государственного технического университета, Почетному работнику высшего профессионального образования РФ, Заслуженному профессору УлГТУ, заместителю председателя Общественного экспертного совета по развитию информационных технологий при Губернаторе Ульяновской области, доктору технических наук, профессору кафедры «Информационные системы», Надежде Глебовне Ярушкиной.

— Руководителю научно-учебного комплекса «Информатика и системы управления» МГТУ им. Н. Э. Баумана, доктору технических наук, профессору Андрею Викторовичу Пролетарскому.

— Доктору технических наук, профессору кафедры системного анализа и исследования операций Института информатики и телекоммуникаций Сибирского государственного университета науки и технологий им. Н. Ф. Решетнева Алене Александровне Ступиной.

— Ведущему научному сотруднику лаборатории проблем компьютерной безопасности Санкт-Петербуржского Федерального исследовательского центра Российской Академии наук, доктору технических наук, профессору Игорю Борисовичу Саенко.

— Заведующему лаборатории искусственного интеллекта, профессору кафедры информатики Института космических и информационных технологий Сибирского федерального университета, доктору технических наук Олеславу Александровичу Антамошкину.

— Заместителю генерального директора по науке ООО «НТЦ АРГУС», доктору технических наук, профессору Борису Соломоновичу Гольдштейну.

Рецензии на монографию

Рецензия Ректора Ульяновского государственного технического университета, д.т.н., профессора кафедры «Информационные системы» Н. Г. Ярушкиной

Рецензия Руководителя научно-учебного комплекса «Информатика и системы управления» МГТУ им. Н. Э. Баумана, д.т.н., профессора А. В. Пролетарского

Современные тенденции развития региональных систем управления предопределяют необходимость наличия соответствующих сетевых технологий сбора обработки и хранения информации, важное значение в которых играют новые современные технологии четвертой промышленной революции. В интересах решения подобных задач субъектами Российской Федерации строятся распределенные сети сбора, обработки и хранения информации, в которых в качестве узлов сети рассматриваются отдельные хозяйствующие субъекты, органы управления и социального обеспечения, включая региональные центры управления регионом.

В целом указанные источники разнородны данных, имея собственную сеть обмена информации в единой региональной сети передачи, хранения и обработки данных (РССХД) должны быть агрегированы. Сложность решения этой задачи во многом определяется разнородностью их программно-аппаратного обеспечения, удаленностью их географического положения и разнородностью параметров связи. При наличии ограниченных ресурсов решение такой задачи становится еще более сложной и требует разработки специализированных методических подходов.

Именно решению этой научной проблемы посвящена работа. Как следует из монографии, автор достаточно подробно дает анализ существующих методов и методик оптимизации сети, начиная от ее топологического синтеза, оптимизации операционных характеристик и выбора параметров сети информационного обмена.

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, изложенные в первом и втором томах монографии.

В работе лично автором получены следующие научные результаты:

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 топологии и пропускной способности каналов связи;

· методика определения загрузки и производительности сервера;

· методика выбора протокольных параметров связи.

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

5. Разработано научно обоснованные техническое решение — операционная система «PyrOS» для аппаратно-программных межсетевых экранов, маршрутизаторов и систем предотвращения сетевых вторжений.

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.

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.

Вместе с тем, в работе следует отметить ряд следующих недостатков:

· из работы не ясно на основе учета каких параметров определяется введенный автором параметр необходимой близости узлов сети.

· из работы не ясно как увязаны между собой задачи выбора операционных характеристик сети и параметров сети информационного обмена.

· из работы не ясно какова последовательность операционных характеристик сети. На основе каких данных обеспечивается в комплексе решение данной задачи.

В целом автор провел законченное самостоятельное исследование, содержащее новые, достоверные и глубоко обоснованные научные результаты и положения, выводы и рекомендации, имеющие теоретическую и практическую значимость. Работу отличает логичность и последовательность излагаемых проблем в ходе решения поставленных задач. Монография является научной работой, в которой решена важная научная проблема, имеющая важное значение на современном этапе социально-экономического развития Российской Федерации.

Вывод

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. «Информационные технологии и телекоммуникации» и 2.2.15. Системы, сети и устройства телекоммуникаций.

Монография рекомендуется к публикации.

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;

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»,,,,.

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

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).

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),,,,,,.

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.

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).

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),,,,,,,,,,.

— Международный союз электросвязи (МСЭ или ITU — International Telecommunicational Union),,,,,.

— 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.

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

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

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

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,.

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.

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.

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),.

— 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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

Первоначально используемой транспортной технологией была SDH (синхронная цифровая иерархия), которая основывалась на базе коммутации каналов. Ее основными недостатками были: фиксированная полоса пропускания и неэффективное использование каналов для передачи эластичного трафика. Существовавшая не так давно технология передачи данных, основанная на базе коммутации пакетов X.25 не могла переносить трафик реального времени, так как являлась низкоскоростной. Технология Frame relay использовала в качестве передающей среды оптические волокна, но не поддерживала качество обслуживания. Пришедшая на смену технология АТМ являлась первой мультисервисной технологией и тоже передавала пакеты фиксированной длины посредством оптического волокна. Новое поколение транспортных технологий, поддерживающих гарантированной качесвто обслуживания представлено технологией MPLS (мультипротокольная коммутация по меткам). Она была разработана с целью обеспечения универсальной службы передачи данных как для клиентов сетей с коммутацией каналов, так и сетей с коммутацией пакетов. С помощью MPLS можно передавать различные типы трафика: эластичный, потоковый и реального времени.

В 2003 году появилась концепция «Городская вычислительная сеть» (Metropolitan area network, Metro Ethernet или MAN), которая описывает возможности оказания услуг операторского класса (как в MPLS) на базе технологии Ethernet — all over Ethernet («все» поверх Ethernet).

Основными преимуществами, которые двигают разработчиков к развитию данной технологии, являются:

· Эффективность затрат. При построении новой сети стоимость оборудование ядра сети ниже, чем в других технологиях. А при использовании уже существующего оборудования нижних уровней (SDH, ATM) необходимо минимум расходов для адаптации этого оборудования под Metro Ethernet.

· Возможность предоставления соединения и полосы пропускания по требованию. Многие классические технологии коммутации пакетов не обладают такой возможностью (Frame Relay, ATM).

· Легкость взаимодействия сетей. За счет стандартных интерфейсов (NNI — Network-Network Interface — интерфейс «сеть-сеть» и UNI — User-Network Interface — интерфейс «пользователь-сеть») взаимодействие между сетями и пользователями упрощается как с точки зрения капитальных вложений, так и с точки зрения операционных расходов.

· Большое количество уже существующих пользователей. Большинство клиентов городских сетей имеет на своих площадках (Customer Premises) локальную или корпоративную сеть Ethernet, а при развитии концепции NGN и переходе на услуги «все поверх IP» таких пользователей станет абсолютное большинство.

В частности, как одну из подсистем сети NGN или РССХД можно рассматривать сеть Metro Ethernet.

В настоящее время телекоммуникационная индустрия делает следующий шаг от архитектуры NGN на базе программного коммутатора (Softswich) и медиа шлюза (MGW) к архитектуре NGN с IMS (IP Multimedia Subsystem), а в перспективе и к сетям All-IP [208].

Новой конвергентной платформой следующего поколения сетей NGN, которая определит будущее Единой сети электросвязи РФ в ближайшие пять лет, как для частных абонентов, так и для корпоративных пользователей, станет IMS (Рис. 1.13).

IMS — это технологическое решение, определяемое соответствующим набором стандартов и функциональных элементов, четко разделяющая сервисный и инфраструктурный уровни сети NGN.

IMS сглаживает различия между всеми телекоммуникационными технологиями на рынке, включая различия между телефонными сетями общего пользования (ТСОП) и сетями подвижной связи (СПС).

Архитектура IMS получила признание у всех телекоммуникационных компаний и операторов Интернет, мобильной и фиксированной связи по следующим причинам:

· Единое ядро сети, единая платформа предоставления услуг, единая система управления и тарификации значительно снижают стоимость владения сети, а также позволяют значительно увеличить перечень предлагаемых сервисов для абонентов и потребителей услуг. Для абонентов это означает снижение стоимости и повышение качества предоставляемых услуг.

· Быстрый рост числа пользователей различных мультимедийных терминалов. Растет количество интеллектуальных устройств носимой электроники. Приложения реального времени, такие как передача мгновенных сообщений, Push-To-Talk и другие, завоевывают все большую популярность во всем мире.

· Острая конкуренция и ценовое давление. Сетевые сегменты операторов наземной и мобильной связи, а также кабельных операторов, во многом пересекаются. Конвергенция фиксированной и мобильной связи обеспечивает более рациональное использование сетевых ресурсов, особенно на уровне доступа.

· Конвергенция голоса, данных и видео. Многие поставщики уже предлагают услуги «triple-play» пакетом, увеличивается потребность в конвергенции между наземными и беспроводными сетями как в средстве обеспечения доступности этих услуг из любого места.

· Сокращение времени на ввод в эксплуатацию новых услуг. Чтобы оставаться конкурентоспособными, операторы и поставщики услуг вынуждены создавать и внедрять новые дифференцирующие услуги в очень сжатые сроки, при условии скорейшего возврата инвестиций. В ближайшее десятилетние станет актуальным применение новых технологий искусственного интеллекта.

Большинство региональных сетей представляют собой комбинацию аналогового и цифрового сегментов сети, но в целом в рамках сетей крупных телеком операторов и Единой сети электросвязи РФ, добавляется сегмент сети NGN, доля которого неуклонно растет.

На сегодняшний день развитие архитектуры и стандартов NGN являются определяющим направлением для разработки, проектирования и развития региональных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных.

1.3. Общие требования к показателям качества обслуживания для сетей NGN

Современный период развития телекоммуникационных систем подразумевает переход от разрозненных региональных сервисных сетей и сетей хранения данных к единой РССХД, в направлении их интеграции в Единую сеть электросвязи РФ (ЕСЭ). На сегодняшний день это движение технологий от сетей NGN к сетям NGN с IMS или к сетям all-IP, а в последующем к «сетям будущего».

Как большинству новых сложных систем, сети NGN свойственны существенные недостатки:

· потенциальное снижение качества связи и производительности сети из-за задержек, которые неизбежны при использовании IP-технологии;

· проблемы надежности и отказоустойчивости телекоммуникационной системы, обусловленные тем, что несколько независимых (с точки зрения надежности) сетей заменяются одной сетью;

· риски информационной безопасности, которым подвержена сеть следующего поколения.

Каждый из перечисленных выше аспектов исследуется в работах российских и зарубежных ученых.

Возникающие задачи проектирования РССХД и разработки технологического решения отличает новизна и сложность, что тесно связано с предметом исследования.

Результаты исследований, представленные в данной работе, помогут правильно проектировать РССХД, оптимально выбирая параметры функционирования сети, которые в свою очередь влияют на соотношение между затратами на используемые ресурсы и качеством обслуживания,,.

1.3.1. Основные классы показателей QoS (Quality of Service)

На сегодняшний день потребители услуг сетей NGN нуждаются в таких уровнях сетевых показателей качества, которые в сочетании с их хостами, оконечным оборудованием и другими устройствами обеспечивают удовлетворительную поддержку их приложений. Выбор сетевых услуг на основе протокола IP не изменяет данного утверждения за исключением того, что такие сети должны быть ограничены рамками параметров качества передачи пакетов.

Требования к рабочим характеристикам приложений достаточно хорошо изучены, но некоторые ключевые факторы часто находятся вне области контроля поставщиков сетевых услуг (например, домашние сети, ЛВС, шлюзы приложений, оконечное оборудование, хосты и другие устройства потребителей). МСЭ-Т учитывает, что требования к рабочим характеристикам оборудования потребителей являются доступными, например, для оконечного оборудования и шлюзов VoIP. Соединение данных требований с определенными уровнями рабочих характеристик сетей дает возможность непосредственно связать рабочие характеристики приложения и сети.

В ответ на это поставщики услуг согласовали уровни рабочих характеристик сети для обеспечения совместной работы, чтобы систематизировать и привести в соответствие свою работу многочисленным требованиям. Соглашение относительно уровней рабочих характеристик сетей является весьма полезным, потому что оно ограничивает появление критических и часто преобладающих факторов в работе приложений.

Требования собраны в наборы, которые называются классами качества обслуживания (QoS, Quality of Service) в сетях (см. в таблице 1.1), они могут быть сопоставлены соответствующему стандартам оборудованию потребителей для обеспечения удовлетворительной поддержки различных приложений.

Число классов было сознательно оставлено небольшим, чтобы упростить проектирование каналов, проходящих через несколько сетей операторов, таким образом, требования, содержащиеся во всех классах, должны удовлетворять потребностям множества приложений.

Значения, указанные в требованиях к рабочим характеристикам, являются результатом анализа ключевых приложений, таких, как голосовая телефония, мультимедийные конференции, надежный обмен данными с помощью протокола TCP и цифровое телевидение, в сочетании с анализом их выполнения в сети. В дополнениях представлены важные, подробные сведения о том, как требования в классах сетевого QoS могут быть использованы для определения предоставляемого качества сквозной передачи данных (на уровне приложений).

Классы сетевого QoS создают важную связь в цепочке разработок, необходимых для обеспечения выполнения сквозной передачи данных. Они являются частью лексикона для согласования QoS между пользователями и сетями, особенно, если протоколы сигнализации передают запросы QoS динамически.

Проверка службы на соответствие требованиям сети является другой ключевой областью интересов потребителей. Она приведена в вместе с рекомендуемыми периодами вычисления, размерами полезной нагрузки пакета и другими аспектами, полезными для проектировщиков, выполняющих измерения. Кроме того, требования интерфейса UNI-UNI могут быть проверены непосредственно пользователями, в отличие от требований, применяемых к интерфейсам NNI, и используют данные неизвестные потребителям, такие как расстояние маршрута.

В Рекомендации ITU-T Y.1541 указываются значения сетевых показателей качества (интерфейс UNI-UNI) протокола IP для каждого из параметров рабочих характеристик, определенных в ITU-T Y.1540. Конкретные значения рабочих характеристик изменяются в зависимости от классов сетевых QoS.

В Рекомендации Y.1541 определены восемь классов сетевых QoS, два из которых являются условными. Данная Рекомендация применяется к международным каналам передачи данных сетей IP (интерфейс UNI-UNI). Определенные классы сетевых QoS предназначены для того, чтобы быть основой соглашений между конечными пользователями и поставщиками сетевых услуг, а также между поставщиками сетевых услуг. Также классы следует продолжать использовать, когда статические соглашения предоставляют возможность выполнения динамических запросов, которые поддерживаются протоколами спецификации QoS.

Описанные классы QoS поддерживают очень широкий диапазон приложений, включая следующие: голосовую телефонию, мультимедийные конференции, цифровое видео и интерактивную передачу данных. Для других приложений могут потребоваться новые или пересмотренные классы, но любая потребность в новых классах должна быть сопоставлена с требованиями осуществимости реализации, также следует учитывать, что количество классов должно быть небольшим для реализации масштабирования в глобальных сетях.

Требования QoS применяются, прежде всего, при скоростях в линиях доступа равных T1 или E1 и выше. Данное ограничение обозначает, что время сериализации пакета IP включено в определение задержки передачи пакета IP (IPTD) и что при скоростях доступа ниже T1 время сериализации может быть свыше 100 мс для пакетов с полезной нагрузкой 1500 октет. Также в данной Рекомендации предъявляются требования по развертыванию механизмов сетевого QoS на устройствах доступа для выполнения требований по изменению задержки пакета IP (IPDV), особенно при низких скоростях доступа (например, скорость T1). Модели сетей могут иметь низкие скорости доступа в следующих случаях:

1) Разработчики сетей понимают влияние дополнительного времени сериализации на интерфейс пользователь-сеть (UNI) относительно требований UNI для IPTD.

2) Механизмы QoS накладывают ограничения на предоставление доступа к параметру IPDV и требование UNI-UNI для IPDV выполняются. Данное требование к параметру IPDV является необходимым для получения высококачественных рабочих характеристик приложений.

В Рекомендации ITU-T Y.1541 представлены классы сетевых QoS необходимые для поддержки ориентированных на пользователя категорий QoS. Также в ней используются параметры, определенные в рекомендации ITU-T Y.1540, которые могут использоваться для описания службы IP, предоставленной с помощью версии протокола IPv4. Возможность применения или расширения с целью использования других протоколов (например, IPv6) подлежит дальнейшему изучению.

Каждый класс сетевого QoS создает определенную комбинацию ограничений для значений рабочих характеристик. В таблице 1.1 содержатся правила, указывающие, когда каждый из классов сетевого QoS может быть использован. Но эти правила не накладывают требований на использование какого-либо конкретного класса сетевого QoS в каком-либо конкретном окружении.

Требования применяются к сетям IP общего пользования. Полагается, что требования могут быть достижимы на обычных реализациях сети IP. Обязательство поставщика сетевых услуг перед пользователем заключается в попытке доставки пакетов способом, обеспечивающим соблюдение всех примененных требований.

Подавляющее большинство каналов IP с заявленным соответствием рекомендации ITU-T Y.1541 должно удовлетворять данным требованиям. Для некоторых параметров рабочие характеристики на более коротких и/или менее сложных путях могут быть значительно лучше.

Для параметров IPTD, IPDV и IPLR предполагается интервал оценки 1 минута, в любом случае интервал должен быть записан с отслеживаемым значением. Любой отрезок времени в одну минуту должен удовлетворять этим требованиям. Отдельные поставщики сетевых услуг могут предлагать соглашения о рабочих характеристиках с лучшими значениями параметров, чем данные требования.

В таблице 1.1 «Н» обозначает «неопределенный» или «неограниченный». Если рабочие характеристики, относятся к конкретному параметру, значение которого равно «Н», ITU-T не устанавливает требований для данного параметра и любые требования, установленные по умолчанию Y.1541, могут быть проигнорированы. Если требования для параметра равны значению «Н», рабочие характеристики по отношению к данному параметру могут временами произвольно ухудшаться.

Отметим, что слишком длительное время прохождения приведет к невыполнению требований низкой сквозной задержки. В данных и некоторых других обстоятельствах требования к IPTD в классах 0 и 2 не всегда могут быть выполнены. Все поставщики сетевых услуг сталкиваются с этими обстоятельствами, и диапазон требований к IPTD в таблице 1.1 представляет достижимые классы QoS как альтернативные варианты. Требования к значению задержки для класса не запрещают поставщикам сетевых услуг предлагать обслуживание с соглашениями, оговаривающими более короткие значения задержки. В соответствии с определением параметра IPTD в рекомендации ITU-T Y.1540 время вставки пакета включено в требование к IPTD.

Для оценки данных требований предполагается максимальный размер информационного поля пакета равный 1500 байт.

Определение требования IPDV (указанного в рекомендации ITU-T Y.1540) является двухточечной Вариацией задержки пакета IP.

Для целей планирования ограничение для значения IPTD может быть получено из верхнего ограничения минимального значения IPTD, поэтому ограничение для 1*10–3 квантиля можно получить путем добавления значения IPTD и значения IPDV (например, 150 мс в классе 0). Это значение зависит от пропускной способности межсетевых каналов. Уменьшение изменений возможно, если все значения пропускных способностей выше, чем основная скорость (T1 или E1) или конкурирующие информационные поля пакетов меньше 1500 байт.

Требования классов 0 и 1 для параметра IPLR частично основаны на исследованиях, показывающих, что значение 10−3 IPLR не окажет существенного влияния на приложения высококачественной передачи речи и речевые кодеки. Это значение гарантирует, что потеря пакетов является основным источником ошибок и что данное значение является допустимым при передаче протокола IP по сети ATM.

Слишком длительное время прохождения приведет к невыполнению требований небольшой задержки UNI-UNI, например, в случаях очень длинной географической протяженности или при использовании геостационарных спутников. В данных и некоторых других обстоятельствах требования к IPTD в классах 0 и 2 не всегда могут быть выполнены. Должно быть учтено, что требования к значению задержки для класса не запрещают поставщикам сетевых услуг предлагать обслуживание с соглашениями, оговаривающими более короткие значения задержки. Любое из таких соглашений должно быть детально изложено.

Все поставщики сетевых услуг сталкиваются с этими обстоятельствами (либо в отдельной сети, либо при работе в сотрудничестве с другими сетями для обеспечения канала UNI-UNI), и диапазон требований к IPTD в таблице 1.1, представляет достижимые классы сетевого QoS, как альтернативные варианты. Несмотря на различную маршрутизацию и вопросы, связанные с протяженностью, родственные классы (например, классы 0 и 1) обычно реализуются, используя одинаковые узловые механизмы.

1.3.2. Пропускная способность, соглашения о пропускной способности и применение классов QoS

Пропускная способность является основополагающим параметром QoS, который оказывает главное влияние на эксплуатационные качества, воспринимаемые конечным пользователем. Многие пользовательские приложения имеют минимальные требования к пропускной способности, данные требования должны быть учтены при заключении соглашений на обслуживание.

Рекомендация ITU-T Y.1540 не определяет параметр пропускной способности, однако в ней определяется параметр потери пакетов. Потерянные биты или октеты могут быть вычтены из общего количества отправленной информации для предварительного определения пропускной способности сети. Независимое определение пропускной способности подлежит дальнейшему изучению.

При эксплуатации ресурсов РССХД предполагается, что пользователь и поставщик сетевых услуг имеют договоренность о максимальной пропускной способности доступа, которая будет доступна одному или нескольким потокам пакетов с определенным классом QoS (за исключением неопределенного класса). Потоком пакетов является трафик, связанный с заданным потоком, имеющим соединение, или без логического соединения, который имеет одинаковые хост-источник (SRC), хост-получатель (DST), класс обслуживания и идентификатор сеанса. В других документах могут использоваться термины микро поток или вложенный поток при обращении к потокам трафика с данной степенью классификации. Изначально договаривающиеся стороны могут использовать любую спецификацию пропускной способности, которую они считают нужной, до тех пор, пока поставщик сетевых услуг поддерживает ее реализацию, а пользователь проходит проверку на ее использование. Например, указание пиковой скорости передачи данных для канала доступа (включая издержки нижнего уровня) может быть достаточным. Поставщик сетевых услуг соглашается передавать пакеты на уровне определенной пропускной способности, в соответствии с оговоренным классом QoS.

Если доступны протоколы и системы, поддерживающие динамические запросы, пользователь будет иметь возможность договариваться о контракте на трафик. В таком контракте может быть указан один или несколько параметров трафика (например, определенные в рекомендации ITU-T Y.1221, или RSVP), а также класс QoS и применение к конкретному потоку.

Требования к техническим характеристикам сети могут перестать действовать, если количество переданных пакетов превышает нормы, указанные в соглашении о пропускной способности или в оговоренном контракте на трафик. Если наблюдается передача чрезмерного количества пакетов, сети разрешено отбрасывать количество пакетов, равное количеству пакетов, превышающих норму. Отброшенные пакеты не должны включаться в совокупность полезных пакетов, которые являются набором пакетов, обрабатываемых с помощью технических параметров сети. В частности, отброшенные пакеты не должны учитываться как потерянные пакеты при определении характеристики сети IPLR. Отброшенные пакеты могут быть переданы повторно, но после этого, при определении характеристик сети, они должны рассматриваться как новые пакеты.

Определение ответного действия для потоков с чрезмерным количеством пакетов является привилегией сети и может основываться на количестве наблюдаемых пакетов, превышающих норму. Если поток включает в себя превышающие норму пакеты, соглашения о технических характеристиках сети не обязаны выполняться. Однако сетью могут быть предложены измененные соглашения о технических характеристиках сети. Эти требования изложены в терминах параметров технических характеристик уровня IP, которые определены в рекомендации ITU-T Y.1540.

Каждый пакет в потоке следует определенным путем. Любой поток (с одним или несколькими пакетами в канале), который удовлетворяет требованиям технических характеристик и может рассматриваться, как полностью соответствующий нормативным рекомендациям ITU-T Y.1541.

Требования к техническим характеристикам UNI-UNI (User to Network Interface to User to Network Interface) определены для параметров технических характеристик протокола IP в соответствии с эталонными событиями передачи пакта IP (IPRE).

Требования к техническим характеристикам протокола IP для интерфейса UNI-UNI применяются от одного интерфейса пользователь-сеть до другого интерфейса пользователь-сеть (Рис. 1.14). Путь сети IP, UNI-UNI, включает ряд сетевых сегментов (NS) и межсетевых каналов, обеспечивающих передачу пакетов IP, посланных от интерфейса UNI на стороне SRC к интерфейсу UNI на стороне DST; протоколы нижнего уровня, включая уровень IP (от уровня 1 до уровня 3) могут также считаться частью сети IP. Сетевые сегменты (NS) (определенные в ITU-T Y.1540) равнозначны доменам операторов и могут включать сетевые архитектуры доступа протокола IP, описанные в рекомендации ITU-T G.651 и ITU-T Y.1231.

Канал передачи данных, отображенный на рисунке 1.14, является адаптацией модели рабочих характеристик ITU-T Y.1540.

Оборудование потребителя включает оконечное оборудование (TE), например, хост и какой-либо маршрутизатор или, если имеется, ЛВС. Предполагается наличие только одного пользователя в нескольких приложениях.

Граничные маршрутизаторы, соединяющиеся с оконечным оборудованием, также могут называться шлюзами доступа.

Эталонные каналы имеют следующие атрибуты:

· Область сети IP может поддерживать соединения пользователь-пользователь, пользователь-хост и другие варианты конечных точек.

· Сетевые сегменты могут быть представлены как области с граничными маршрутизаторами на их границах и неопределенным количеством внутренних маршрутизаторов с различными ролями.

· Количество сетевых сегментов в заданном пути может зависеть от предлагаемого класса обслуживания наряду со сложностью и географической протяженностью каждого сетевого сегмента.

· Сфера применения рекомендации ITU-T Y.1541 допускает использование в пути одного или нескольких сетевых сегментов.

· Сетевые сегменты, поддерживающие передачу пакетов в потоке, могут изменяться во время его существования.

Возможность соединения по протоколу IP простирается за международные границы, но не следует соглашениям о коммутации каналов (например, на международной границе могут отсутствовать идентифицируемые шлюзы, если один и тот же сетевой сегмент используется по обе стороны границы).

1.4. Анализ существующих методов проектирования и повышения производительности РССХД

Рассматривая РССХД, как объект исследования, нельзя не упомянуть тот факт, что на современном этапе развития сетевых технологий, одной из ключевых задач, которую приходится решать инженерам при построении РССХД является создание и использование высокопроизводительных вычислительных систем (ВС), как центральных систем передачи и обработки больших массивов данных.

В связи со сложностью решаемых задач при проектировании РССХД, количеством задействованных вычислительных средств и решения задач в реальном масштабе времени, целесообразно провести анализ новых тенденций развития в области разработки и развития высокопроизводительных вычислительных систем.

С некоторым упрощением любую современную высокопроизводительную вычислительную систему можно представить как множество многопроцессорных вычислительных узлов, связанных одной или несколькими коммуникационными сетями.

C 1993 года в мире ведется рейтинг пятисот самых мощных суперкомпьютеров. За все время ведения рейтинга в России находилось семь суперкомпьютеров.

В нашей стране поставщиками таких систем являются НИИ «Квант» и ОАО «НИЦЭВТ», входящие в Российское агентство по системам управления. Также работы по высокопроизводительным ВС ведутся в рамках российско-белорусской программы СКИФ (головная организация в России — ИПС РАН, Переславль-Залесский).

Высокопроизводительные ВС отличаются по устройству от простых (персональных) компьютеров тем, что используют, в отличие от персональных ЭВМ, сотни, тысячи и более процессоров. На сегодняшний день самая популярная архитектура суперкомпьютеров — кластеры. На сегодняшний день самый «быстрый» Linux-кластер «IBM+NCSA» имеет производительность 2Тфлопс.

В последние годы возобновилось производство многоядерных процессоров, в свою очередь, кардинальным образом поменяло ситуацию в росте производительности высокопроизводительных ВС. С появлением четырехядерных процессоров достижение производительности в один терафлоп существенно упростилось. Поэтому встал вопрос об архитектурах высокопроизводительных ВС — программы просто не успевают адаптироваться к скачку производительности.

Важные преимущества кластерных ВС — доступность технологий сборки и возможность экономически эффективного получения достаточно высокой производительности.

Современные высокопроизводительные ВС способны выполнять миллиарды (GFlops) и триллионы операций в секунду (TFflops). Значительным плюсом кластерных систем также является возможность построения уникальной архитектуры, обладающей достаточной производительностью, устойчивостью к отказам аппаратуры и программного обеспечения и при этом легко наращиваемой и модернизируемой на основе универсальных средств из стандартных компонентов.

Для того, чтобы эффективность наращивания кластеров не падала с увеличением количества узлов, необходимо обеспечить высокую скорость обмена между вычислительными узлами (ВУ) кластера.

Кластеры реализуются структурно в виде отдельных конструктивов. В этих структурах наиболее тесные связи между собой имеют ВУ кластера; менее тесные — ВУ из различных кластеров, связанных на следующем, более высоком уровне. Частота обращений, вследствие локального характера взаимодействий вычислительных процессов, при соответствующем распределении вычислительной работы в системе уменьшается с увеличением длины линии связи, что в целом обеспечивает повышение пропускной способности подсистемы внутренних связей при ограничениях на ее сложность

В работах,,, показано, что для организации обмена внутри кластера наиболее рациональным является использование топологии типа общей шины, а для объединения кластеров — высокоскоростные сетевые технологии.

1.4.1. Классификация архитектур высокоскоростных сетевых технологий

Высокоскоростные сетевые технологии предназначены для организации связи между компонентами многоэлементных вычислительных систем путем их коммутации. При этом коммутация является средством, позволяющим распределять ограниченные связные ресурсы и обеспечивать возможность информационного обмена между абонентами с заданными показателями качества.

Коммутационные (соединительные) сети в вычислительной технике стали использоваться сравнительно недавно. Помимо соединений процессор — память, сети коммутации применяются для соединений процессор — процессор. В общем случае сеть имеет М входов и L выходов и состоит из групп коммутационных элементов и линий связи между ними. Соединительные возможности сетей могут быть разными. В одной сети они ограничиваются несколькими вариантами коммутации входов с выходами, в других — представляют произвольные варианты соединений для передачи данных.

При малом числе соединяемых устройств коммутация (соединение) не представляет больших трудностей и может быть обеспечена различными способами. Однако при большом числе устройств, а их в современных вычислительных системах может быть несколько тысяч, организация необходимых связей между ними представляет серьезную проблему и требует тщательных решений.

В архитектуре параллельных вычислительных систем коммутационным сетям отводится одно из центральных мест. По своей сложности, стоимости и влиянию на основные характеристики параллельных систем они выступают наравне с такими основными компонентами, как устройства памяти и процессоры.

Согласно классификации Хокни, выделяют три класса архитектур, используемых для коммуникации в параллельных системах:

1) p-мерные конвейерные соединители;

2) матричные коммутаторы:

3) многоярусные сети.

1.4.2. P-мерные конвейерные соединители

В конвейерном соединителе p-мерная структура узлов связывается в каждом измерении таким образом, чтобы обеспечивалась последовательная конвейерная передача данных между ними. Продвижение данных происходит, как правило, синхронно. При передаче данных в 1-м измерении от узла i к узлу i+v данные последовательно проходят через все i+v-1 узлов.

Каждый узел конвейерного соединителя должен содержать элементы памяти, обеспечивающие временное хранение данных. В простейшем случае это просто триггер со схемами занесения, в более сложных системах — многорегистровая буферная намять.

Примером одномерного конвейерного соединителя могут служить соединительная сеть мультипроцессора «ZMOB» и «Кембриджское кольцо», а двухмерного — система связи в матрице процессорных элементов вычислительной системы «ILLIAC-IV». Соответствующие структурные схемы приведены на рисунке 1.15.

К достоинствам конвейерных соединителей можно отнести их простоту и регулярность, к существенным недостаткам — зависимость времени передачи данных от расстояния между узлами. Так, например, в системе ZMOB это время колеблется от 100 нс. до 25.6 мкс. Кроме того, существуют проблемы с обеспечением надежности таких структур, так как сбой в одном узле может привести к искажению множества сообщений.

Рассматривая применимость p-мерных конвейерных структур для упорядочения данных в параллельной памяти, можно отметить, что они достаточно просто позволяют производить необходимые перестановки данных в тех случаях, когда при формировании запоминающей среды используются линейные периодические размещения. Известно, что соответствующие таблицы размещения строятся с использованием линейных сдвигов, которые и составляют основу алгоритмов упорядочения данных.

Однако при этом приходится считаться с отмеченной выше зависимостью времени сдвига (упорядочения данных) от величины сдвига. В памяти это приводит к зависимости времени доступа от вида обращения, что нежелательно. Дополнительные трудности возникают, когда число модулей памяти в многоблочной запоминающей среде больше ширины доступа (M> L). В таком случае приходится решать задачу маскирования «лишних» узлов конвейерного соединителя.

1.4.3. Матричные коммутаторы

Матричные коммутаторы (crossbar network) являются одним из наиболее гибких типов соединительных сетей. Обобщенная структура матричного коммутатора, обеспечивающего соединение М на L портов, представлена на рисунке 1.16.

Сеть коммутации представляет собой множество связей между двумя наборами узлов, которые называются входами и выходами. Всего между M входами и L выходами существует ML различных связей, включая парные связи («один — одному»), связи «один — многим», смешанные связи.

Сеть, осуществляющая ML соединений, называется обобщенной соединительной сетью (рисунок 1.14.а). Если сеть осуществляет только парные связи, она называется соединительной, в ней возможно M! соединений (рисунок 1.17. б, в). В соединительных сетях любой допустимый набор связей (перестановка) выполняется за один такт и без конфликтов.

Организация матричного коммутатора такова, что при отсутствии конфликтов все необходимые связи обеспечиваются одновременно. Конфликты возникают, когда два или более абонента требуют коммутации одного и того же узла. Понятно, что в каждом узле необходимо разрешать возникающие конфликты. Поэтому узел коммутации может представлять собой достаточно сложную схему.

Одной из разновидностей матричного коммутатора является сеть, называемая «полное соединение» (complete connection). В ней для установления связи каждого из М портов с L портами используются собственные L линий связи (рисунок 1.17,б). Легко заметить, что число узлов коммутации в этом случае остается прежним.

Так как число узлов коммутации растет пропорционально произведению ML, то стоимость матричных коммутационных сетей при большом количестве портов весьма высока. Однако при малом числе соединяемых блоков они эффективно используются, в частности, и для упорядочения данных в параллельной памяти.

1.4.4. Многоярусные коммутационные сети

Когда количество портов, соединяемых коммутационной сетью, исчисляется сотнями или тысячами, использование матричных коммутаторов не представляется возможным из-за их высокой сложности и стоимости. Неэффективными оказываются и конвейерные соединители, обладающие в этом случае весьма низким быстродействием. Решением проблемы является использование многокаскадных коммутационных сетей (МКС). Многоярусные сети строятся из нескольких ярусов коммутационных элементов (КЭ). КЭ может сам представлять некоторую соединительную сеть, например, матричный переключатель. Чаще всего на практике используются простые коммутационные элементы с двумя входами и двумя выходами.

Выделяют три основных вида многокаскадных сетей: неблокируемые сети, перестраиваемые и блокируемые сети.

1.4.5. Неблокируемые сети

Если коммутационная сеть находится в состоянии, при котором невозможно найти путь соединения определенного незанятого входного порта с незанятым выходным, то говорят, что эта сеть заблокирована. Неблокируемыми, следовательно, называются такие сети, в которых всегда можно найти путь соединения для свободной пары портов.

Неблокируемые структуры получаются путем введения дополнительных ярусов коммутации. Несмотря на это, многоярусные неблокируемые сети часто более экономичны, чем матричные коммутаторы. Так, например, число КЭ в матричном коммутаторе для М = L = 25 (двадцать пять входов соединяются с двадцатью пятью выходами) равно 625, в трёхъярусной схеме Клоза — 675, но при М = L = 100 для матричного коммутатора число коммутационных элементов уже 10000, a в схеме Клоза — 5700.

1.4.6. Перестраиваемые сети

Близки к неблокируемым. Перестраиваемыми они называются потому, что могут выполнить все возможные соединения между входными и выходными портами, перестраивая существующие связи так, как этого требует установление незаблокированного пути для новой заданной пары портов. Структурная схема такой сети, называемой сетью Бенеша, представлена на рисунке 1.18.

После анализа факторов, определяющих выбор аппаратно-программного обеспечения и нацеленных на повышение эффективности функционирования, выполняется определение и выбор топологии РСCХД. В результате чего должна быть создана структура, обеспечивающая оптимальную передачу заданных потоков информации по всем направлениям информационного обмена. Сложность этой задачи для региональной сети заключается не только в значительном объеме вычислений, но и в ограниченных возможностях определения исходных объемов передаваемой информации, потоки которой возрастают в ходе эксплуатации сети б [5,8,11,18].

Неблокируемые и перестраиваемые сети, обеспечивая высокую гибкость и полноту коммутации, остаются все же достаточно сложными по структуре и соответственно требуют сложного управления. Они, безусловно, могут использоваться для упорядочения данных в параллельной памяти, однако их применение не всегда целесообразно. В большинстве случаев задача упорядочения решается при некотором ограниченном наборе коммутации и не требует выполнения условий неблокируемости. В связи с этим большой интерес представляют блокируемые многоярусные сети.

1.4.7. Блокируемые сети

Одним из обобщений блокируемых сетей являются Баньян-сети, которые введены Р. Гоуком и К. Липовским и использовались для построения мультипроцессорной архитектуры,.

Свое название они получили oт фигового дерева (banyan-tree). Авторы, очевидно, имели в виду определенное топологическое сходство индийской смоковницы и соответствующего графа.

Граф, описывающий структуру Баньян-сети, содержит три типа вершин: начальные, не имеющие входящих ребер, конечные, не имеющие исходящих ребер, и промежуточные. Последние имеют и входящие, и выходящие ребра. На рисунке 1.19 приведены примеры Баньян-сетей. Во всех диаграммах начальные вершины размещены внизу, а конечные — наверху.

Отметим некоторые топологические особенности Баньян-сетей. Сеть, в которой каждый путь от начальной вершины к конечной имеет длину l и для каждой пары «начальная вершина — конечная вершина» этот путь является единственным, называется l-уровневой Баньян-сетью.

В такой сети имеется l уровней (ярусов) ребер и l +1 уровней вершин. В l-уровневых Баньян-сетях ребра связывают только вершины соседних уровней. Примем, что начальные вершины размещаются на уровне 0, а конечные — на уровне l. В дальнейшем рассматриваются только однородные Баньян-сети, в которых для всех вершин одного уровня число входящих и число выходящих ребер есть величины постоянные. Структуру однородной Баньян-сети можно охарактеризовать, если указать число вершин на каждом уровне L0,L1,…,Ll и для вершин каждого уровня число входящих (c) и выходящих (0) ребер. Так как в l-уровневой сети l ярусов ребер, то соответствующее описание всей сети задается l-компонентными векторами с= (с1, с2, …, сl), о= (o1, o2, …, ol) и вектором L= (L0, L1, …, Ll).

Баньян-сеть называется регулярной, если с1= с2= …= сl и o1= o2= …= ol (рисунок 1.16,а), в противном случае сеть нерегулярна (рисунок 1.16,б). Важное место в классе Баньян-сетей занимают прямоугольные сети. Сеть является прямоугольной, если L0= L1= …= Ll и с = о. Нерегулярные прямоугольные Баньян-сети называются слабо прямоугольными (рисунок 1.16,в), регулярные — строго прямоугольными (рисунок 1.10,г). Еще одним обобщенным видом блокируемых многоярусных систем являются Дельта-сети.

Строго прямоугольные Баньян-сети с числом узлов на каждом уровне L = 21, построенные на 2 X 2-матричных переключателях, составляют особый подкласс сетей. Эти сети называются двоичными перестановочными (или просто перестановочными) сетями. К ним можно отнести такие широко известные сети, как Омега-сеть, сеть типа двоичный n-Куб, модифицируемый манипулятор данных, базисная сеть.

В настоящее время нет однозначных рекомендаций по выбору способов организации обмена данными внутри кластера и между кластерами, так как они зависят от требований и характеристик ВК (числа ПЭ в кластере, количества кластеров, интенсивностей обмена и т.п.). Это, в свою очередь, приводит к необходимости проведения исследований по выбору способов коммутации кластеров, обеспечивающих удовлетворение предъявляемых требований.

Для решения задач управления на стационарных вычислительных комплексах требуемая производительность при скалярной обработке информации составляет десятки миллиардов операций в секунду. Для обработки сигналов производительность оценивается сотнями миллиардов операций в секунду. Соизмеримы с такими оценками потребности в производительности вычислительных систем для решения фундаментальных научно-исследовательских задач в интересах стратегических оборонительных систем. Кроме того, данные вычислительные комплексы должны обладать высокой реактивностью, что обусловлено необходимостью достижения заданной производительности в условиях частого прерывания вычислительного процесса внешними управляющими сигналами. Объемы оперативно обрабатываемой информации в вышеупомянутых системах достигают сотни Тбайт.

Таким образом, из анализа рассмотренных вариантов можно сделать выводы, что при большом числе абонентов, широком диапазоне требований по пропускной способности и необходимости обеспечения работы в реальном масштабе времени наиболее перспективным направлением в создании перспективных РССХД является создание вычислительных комплексов с рациональной структурой системы информационного обмена.

1.5. Обзор математических методов проектирования распределенных вычислительных сетей

Проектирование РСCХД является сложной и комплексной задачей, решение которой можно разбить на следующие основные этапы (Рис. 1.20):

1. Обследование.

2. Составление и утверждение технического задания.

3. Технический проект.

4. Рабочий проект.

5. Монтаж оборудования.

6. Опытное функционирование или тестирование работы аппаратно-программных комплексов.

7. Приемочные испытания.

8. Обучение и поддержка (сервис).

9. Эксплуатация.

10. Оптимизация и модернизация.

Одним из наиболее значимых этапов является этап технического проекта (ТП). Полученные результаты в ходе его разработки (анализа и синтеза исходных данных, определение топологии, построение модели, оценка показателей эффективности и т.д.) являются ключевыми при проектировании и создании РСCХД. Количество под этапов ТП должны быть четко описаны и жестко регламентированы в техническом задании (ТЗ), так окончание каждого из них является логическим началом следующего, а завершение технического проекта является началом рабочего проекта.

После анализа факторов, определяющих выбор аппаратно-программного обеспечения и нацеленных на повышение эффективности функционирования, выполняется определение и выбор топологии РСCХД. В результате чего должна быть создана структура, обеспечивающая оптимальную передачу заданных потоков информации по всем направлениям информационного обмена. Сложность этой задачи для региональной сети заключается не только в значительном объеме вычислений, но и в ограниченных возможностях определения исходных объемов передаваемой информации, потоки которой возрастают в ходе эксплуатации сети,,,,,.

Наиболее часто используемый подход к решению данной проблемы заключается в теоретическом разбиении имеющейся сети на более простые структурные образования — структуру минимальной сети, анализе каждого из них и получении агрегированных характеристик сети композицией показателей простых структур,,.