Читать онлайн Методология построения распределенных сетей передачи, обработки и хранения данных: сервисные сети следующего поколения. Монография. Том 2 бесплатно
Дизайнер обложки Александр Юрьевич Чесалов
Иллюстратор Freepik
Редактор Александр Юрьевич Чесалов
© Александр Чесалов, 2023
© Александр Юрьевич Чесалов, дизайн обложки, 2023
© Freepik, иллюстрации, 2023
ISBN 978-5-0060-2054-2 (т. 2)
ISBN 978-5-0060-1445-9
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
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»1.
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.2
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,3,4,5,6,7,8,9,10.
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».11
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: [email protected]
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»,12,13,14,15.
Результаты НИОКР опубликованы в отдельной книге «Разработка встраиваемой сетевой операционной системы PyrOS».16
Комплекс методик, модели и методы, представленные в работе были использованы при разработке электронной универсальной системы машинного обучения «Atlansys EUS» (свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2023619721).17
Апробация работы
Основные результаты разработок представлялись автором на международной выставке CeBIT в Германии город Ганновер в период с 2006 по 2009 годы. Основные положения, теоретические выводы и практические рекомендации работы докладывались на научно-практических конференциях в Российской Федерации, включая научно-технические семинары и совещания исполнителей НИР в ОАО «Научно-производственное предприятие межотраслевой центр эргономических исследований и разработок» (ОАО «НПП «ЭРГОЦЕНТР»).
Структура работы
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.
Глава 1
АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЕГИОНАЛЬНОЙ СЕРВИСНОЙ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ, ОБРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ (РСCХД): АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
1.1. Актуальность проектирования и повышения эффективности региональных сетей
Информационные ресурсы являются одним из важнейших видов ресурсов для всех без исключения органов управления, в том числе и для областных органов государственной власти.
Внедрение информационных систем представляет в настоящее время процесс, который происходит и в России, и за ее пределами, и отражает динамику и сложность экономики, расширяющиеся международные связи и кооперацию по решению ряда экономических, социальных и политических задач.
Анализ ситуации в регионах РФ показал, что в большинстве из них сервисных сетей и (или) сетей передачи, обработки и хранения данных, в полном понимании рассматриваемой в работе концепции региональных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных (РССХД) не существует. Например, в более чем 50% районах Тверской области отсутствуют высокоскоростные каналы передачи данных, более 80% устаревшего сетевого и серверного аппаратно-программного обеспечения и т. д.
Опыт ведущих стран показывает, что в процессе информатизации для получения результата необходимо, в первую очередь, решить проблемы учета имеющихся трудовых, финансовых и материальных ресурсов, в виде соответствующих социально – экономических информационных систем, баз данных и предоставления данной информации в виде мобильных информационных сервисов. В этом случае появляется возможность решать вопросы комплексного развития территории на основе анализа многоаспектной информации.
На сегодняшний день, во многих странах создана и действует информационная индустрия с мощной инфраструктурой, обеспечивающей необходимую поддержку большого числа современных информационных и мобильных сервисов, удаленных услуг SaaS (Software-as-a-Service) (Рис. 1.1), удаленных центров обработки данных (ЦОД) с поддержкой облачных вычислений (cloud computing) (Рис. 1.2) и функций удаленного хранения информации в рамках сетей NGN (Next Generation Network) и сетей IMS (IP Multimedia Subsystem),1819,20,21,22,23,24.
Рисунок 1.1. Наиболее востребованные российскими компаниями облачные сервисы в 2011 году (% компаний)
Кроме того, постоянное развитие и увеличение информационно-технического потенциала предприятий и инициирует потребность к территориально распределенной информационной интеграции с использованием сети Internet, что приводит к резкому увеличению передаваемого по сети трафика в условиях использования, как правило, низкокачественных и низкоскоростных линий связи и необходимости хранения локально больших массивов данных. Следствием этого, стабилизация и совершенствование социально-экономической сферы регионов требуют поддержки, совершенствования и развития региональных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных в соответствие с мировыми требованиями и стандартами.
Рисунок 1.2. Ожидаемый экономический эффект от облачных вычислений для пяти крупнейших экономик Европы к 2015 году (млрд. евро/год)
РСCХД предъявляют высокие требования к эффективному использованию средств передачи, обработки и хранения данных, к уровню обслуживания клиентов сети и уровню предоставляемых Интернет и мобильных сервисов. В связи с этим, одной из важнейших проблем, которую приходится решать при проектировании и внедрении сетевых проектов и их эксплуатационном сопровождении, является проблема адекватного описания процессов в моделях, используемых при проектировании и организации эффективной работы распределенных региональных сервисных сетей в различных условиях функционирования.
На сегодняшний день задача построения региональной сервисной сети передачи, обработки и хранения данных стоит достаточно остро не только для отдельно взятого региона, но и имеет большое практическое значение для большинства регионов Российской Федерации.
1.2. Применение концепции построения сетей следующего поколения (Next Generation Network, NGN) для РССХД
1.2.1. Общие положения концепции NGN
В настоящее время наблюдается бурный рост и развитие концепций и технологий построения и модернизации глобальных и региональных сервисных сетей передачи, обработки и хранения данных (РССХД).
Исторически выделяют три основных этапа развития сетей общего пользования, оборудование которых продолжает активно использоваться (Рис.1.3).
Рисунок 1.3. Схемы распределения функций узла коммутации в различных сетевых конструкциях
Традиционные телефонные сети – сети первого поколения, или POTS (Plain Old Telephone Service), использующие аналоговые системы передачи и узлы коммутации декадно-шаговых, координатных, квазиэлектронных и ранних версий цифровых систем коммутации.
С середины 1980-х годов начала развиваться сетевая концепция ISDN (Integrated Services Digital Network), которая предусматривала использование цифровых систем передачи данных через цифровые узлы коммутации (сети второго поколения).
Уже в конце 90-х годов с развитием Интернета и появлением новых технологий и стандартов, а также с большим ростом пользователей услуг, возникла потребность в сетевой концепции, не только не уступающей по своим характеристикам телефонной сети общего пользования (ТфОП), но и технологически превосходящей ее. Это потребовало разработки новых стандартов и решений, обеспечивающих передачу различных видов информации и предоставления различных видов услуг в рамках единой сетевой структуры, которая в последствие получила название – NGN (Next Generation Network) и стала основой для развития сетей третьего поколения.
Большую роль в формировании концепции и стандартов развития NGN сыграли:
– IPCC (International Packet Communication Consortium),
– ETSI / TISPAN (European Telecommunications Standards Institute/ Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking),25,26,27,28,29,30,31,32,33,34.
– Международный союз электросвязи (МСЭ или ITU – International Telecommunicational Union),3536,37,38,39,40.
– Группа 3GPP (Third Generation Partnership Project).
Под сетью NGN (Next Generation Network) понимают гетерогенную мультисервисную сеть, основанную на пакетной коммутации и обеспечивающую предоставление практически неограниченного спектра телекоммуникационных сервисов.41
Ниже, на рисунке 1.4, приводится архитектура сети NGN, описанная в рекомендации ITU-T Y.2012:
Рисунок 1.4. Архитектура сети NGN согласно ITU-T Y.2012
В рекомендации Y.2012 определяется, что архитектура сети NGN поддерживает доставку контента и мультимедиа сервисов, включая цифровое телевидение и радиовещание.42
В последствие TISPAN расширило архитектуру сети NGN и ввело, разработанную 3GPP, подсистему IMS (IP Multimedia Subsystem).
Рисунок 1.5. Компоненты сети NGN TISPAN
IMS определяют как All-IP-систему управления сетью 3G, эффективно использующую принципы Softswitch и возможности протокола SIP.
Основным достоинством NGN TISPAN является то, что все подсистемы рассматриваются не как совокупность узлов, а как набор функциональных модулей, каждый из которых может быть реализован произвольным набором физических элементов. Все модули взаимосвязаны посредством стандартизированных интерфейсов. Взаимодействие функциональных модулей осуществляется по сигнальному протоколу SIP,43.44
Необходимо отметить, что 2001 году в России был принят документ «Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России». В нем даны основные определения и рассмотрены основные проблемы, связанные с переходом к сетям NGN.45
В соответствии с этим положением термин NGN определяется, как концепция построения сетей связи, обеспечивающих предоставление неограниченного набора услуг с гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений, предполагающая реализацию универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы и интеграцию с традиционными сетями связи.
Рисунок 1.6. Пример сети, построенной в соответствии с основными положениями по построению мультисервисных сетей на ВСС России
Согласно международным рекомендациям МСЭ, сети NGN должны решать следующие задачи:
· способствовать честной конкуренции;
· поощрять частные инвестиции;
· определять принципы архитектуры и возможности для приведения в соответствие с различными регламентирующими требованиями;
· обеспечивать открытый доступ к сетям;
· обеспечивать универсальное предоставление услуг и доступ к ним;
· способствовать обеспечению равных возможностей для всего населения;
· способствовать разнообразию содержания, включая культурное и языковое разнообразие.
1.2.2. Основные характеристики и функциональная модель NGN
Выделяют следующие основные характеристики сетей NGN:
– передача информации с пакетной коммутацией;
– разделение функций управления между пропускной способностью канала-носителя, вызовом/сеансом, а также приложением/услугами;
– развязка между предоставлением услуг и транспортировкой и предоставление открытых интерфейсов;
– поддержка широкого спектра услуг, приложений и механизмов на основе унифицированных блоков обслуживания (включая услуги в реальном масштабе времени, в потоковом режиме, в автономном режиме и мультимедийные услуги);
– возможности широкополосной передачи со сквозной функцией QoS (качества обслуживания)46,47.
– взаимодействие с существующими сетями с помощью открытых интерфейсов;
– универсальная мобильность;
– неограниченный доступ пользователей к разным поставщикам услуг;
– разнообразие схем идентификации;
– единые характеристики обслуживания для одной и той же услуги с точки зрения пользователя;
– сближение услуг между фиксированной и подвижной связью;
– независимость связанных с обслуживанием функций от используемых технологий транспортировки;
– поддержка различных технологий «последней мили»;
– выполнение всех регламентирующих требований, например, для аварийной связи, защиты информации, конфиденциальности, законного перехвата и т. д.48
Сеть NGN должна предоставлять возможности (транспортные ресурсы, протоколы и т. д.) для целей создания, развертывания и управления всеми возможными видами услуг.
В перечень входят услуги, использующие среду разного вида (аудио, визуальную, аудиовизуальную) со всеми типами схем кодирования и услуги передачи данных, диалоговые, с адресацией конкретному устройству, групповой адресацией и вещанием, услуги передачи сообщений, простой передачи данных в реальном масштабе времени и в автономном режиме, с регулированием задержки и устойчивые к задержке услуги.
Услуги с различными требованиями к ширине полосы от нескольких Мбит/с до нескольких Гбит/с, с гарантированной полосой или без, должны поддерживаться в рамках возможностей технологии транспортировки.
В сетях NGN делается особый упор на обеспечение соответствия требованиям заказчика со стороны поставщиков услуг, причем некоторые из поставщиков будут предлагать своим клиентам возможность настройки своих собственных услуг.
NGN должна включать связанные с обслуживанием интерфейсы программирования приложений (API), чтобы поддерживать создание, предоставление и управление услугами.
Одной из основных характеристик NGN является отделение услуг от транспорта, что позволяет предлагать их отдельно и развивать независимо. Поэтому в архитектуре NGN должно быть четкое разделение между функциями обслуживания и функциями транспортировки.
Концепция NGN позволяет предоставлять как существующие, так и новые услуги вне зависимости от используемой сети и типа доступа. Таким образом, в базовой функциональной модели МСЭ сети NGN выделяют два слоя: транспортный (Transport Stratum) и сервисный (Service Stratum). На рисунке 1.7 взаимодействие между функциями по передаче информации изображено сплошной линией, а по управлению – пунктирной.
Рисунок 1.7. Функциональная модель NGN в соответствии с ITU-T Y.2012
Транспортный слой включает в себя зависимые уровни OSI и обеспечивает перенос информации между двумя географически разделёнными точками.
В частности, транспортный слой обеспечивает обмен информацией между следующими объектами (Рис.1.8):
· Интерфейс «сеть – сеть» (Network-Network Interface (NNI),
· Интерфейс «пользователь – сеть» (User-Network Interface (UNI),
· Интерфейс сетевых приложений (Application Network Interface (ANI).
Рисунок 1.8. Взаимодействие UNI – NNI согласно ITU-T Y.2012
Транспортный уровень (Transport stratum) обеспечивает взаимодействие с пользователями сети NGN посредством подсистемы Transport control functions, включающий Network Attachment Control Functions (NACF) и Resource and Admission Control Functions (RACF), которые являются неотъемлемой частью сети NGN.
Транспортная архитектура NGN сетей включает три основных уровня:
1. Магистральные сети. На уровне магистралей в NGN используется технология IP/MPLS, которые могут накладываться поверх существующих сетей с коммутацией каналов или создаваться заново. Возможные варианты технологий доступа хорошо известны, это – ТФОП, ADSL, LAN, HFC, WLAN, GSM, UMTS, CDMA 2000, WiMax и т. д.
2. Опорные/городские сети. На данном уровне устанавливаются, как правила, традиционные АТС (междугородние, городские и районные) постепенно замещаются медиашлюзами (Media Gateway), которые управляются программными коммутаторами (SoftSwitch) и переправляют потоки в сеть доступа.
3. Сети доступа.
В транспортном слое могут применяться все типы сетевых технологий, а именно:
· ориентированная на соединение коммутация каналов (connection-oriented circuit-switched – CO-CS);
· ориентированная на соединение коммутация пакетов connection-oriented packet-switched – CO-PS), неориентированная на соединение коммутация пакетов (connectionless packet-switched – CLPS).
Однако для построения NGN предпочтение отдаётся технологиям на базе IP с поддержкой качества обслуживания.
Рисунок 1.9. Разделение услуг и транспорта в NGN
Сервисный слой может включать в себя сложный набор географически распределённых сервисных платформ или в простейшем случае набор функций, реализованный двумя конечными пользователями. Для предоставления полного набора услуг в сервисный слой включаются прикладные функции. Примерами служб, реализуемых на данном уровне, могут быть передача речи, данных, видео или любая их комбинация. На рисунке 1.9 приведён пример услуг (сервисов), обеспечиваемый сетью NGN.
Рисунок 1.10. Основная эталонная модель NGN
Каждый слой содержит один или несколько уровней. Уровень состоит из трёх плоскостей:
· плоскость пользователя;
· плоскость контроля;
· плоскость менеджмента.
Основная эталонная модель NGN показана на рисунке 1.10.
При построении сети, удовлетворяющей концепции GII, в функциональной модели NGN МСЭ выделяет три категории объектов: функции, сервисы, ресурсы.
Сервисы реализуются различными функциями с помощью доступных ресурсов. Один и тот же сервис может реализовываться разным набором функций и наоборот, одна функция может использоваться для реализации различных сервисов. Их взаимосвязь показана на рисунке 1.11. Функции NGN представлены на рисунке 1.12.
Рисунок 1.11. Обобщённая функциональная модель NGN
При любой из нынешних концепций транспортный уровень NGN должен обеспечивать создание полно связной инфраструктуры для пакетной передачи данных разного типа с поддержкой QoS.
Предполагается, что сеть NGN должна поддерживать:
· услуги связи пункта с пунктом в транспортном слое, без адаптации;
· услуги связи пункта с пунктом в транспортном слое, включая функции адаптации;
· услуги связи пункта со многими пунктами в транспортном слое, включая функции адаптации.
Рисунок 1.12. Иллюстрация функций NGN
При любой из нынешних концепций транспортный уровень NGN должен обеспечивать создание полно связной инфраструктуры для пакетной передачи данных разного типа с поддержкой QoS.
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).
Рисунок 1.13. Единая инфраструктура для всех типов услуг и устройств
IMS – это технологическое решение, определяемое соответствующим набором стандартов и функциональных элементов, четко разделяющая сервисный и инфраструктурный уровни сети NGN.49
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».50
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,51