Методология построения распределенных сетей передачи, обработки и хранения данных: анализ и выбор рациональной структуры. Монография. Том 1

По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ:

1. Палюх Б. В., Чесалов А. Ю. Пути оптимизации аппаратно-программной платформы информационной системы. // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-2000: Сб. трудов Международ. науч. конф. В 7-и т. Т.6. Секции 11, 12, 13/ Санкт-Петербургский гос. Технол. Ин-т (техн. Ун-т). Санкт-Петербург, 2000.С.99—100.

2. Федченко С. Л., Чесалов А. Ю. Оценка загрузки и производительности информационной системы с архитектурой клиент-сервер. // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-2000: Сб. трудов Международ. науч. конф. В 7-и т. Т.6. Секции 11, 12, 13/ Санкт-Петербургский гос. Технол. Ин-т (техн. Ун-т). Санкт-Петербург, 2000.С.97—99.

3. Чесалов А. Ю., Чистяков М. В. Направления реорганизации технологической платформы в условиях антикризисного управления. // Управление в условиях кризиса. Социокультурная динамика: философские и социологические проблемы.: Сб. трудов науч. конф. Тверской гос. университет. Тверь, 2000.С.116—123.

4. Палюх Б. В., Чесалов А. Ю. Пути повышения эффективности региональной сети обработки социально-экономической информации. // Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» – ММТТ-14: Сборник трудов 14 международной научной конференции. Том 6. Секции 7,8 / Смоленский филиал Московского энергетического института (технического университета), Смоленск, 2001. C. 104—105.

5. Федченко С. Л., Чесалов А. Ю. Построение комплекса взаимосвязанных моделей для синтеза корпоративных вычислительных сетей. // Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» – ММТТ-14: Сборник трудов 14 международной научной конференции. Том 6. Секция 8 / Смоленский филиал Московского энергетического института (технического университета), Смоленск, 2001. C. 147.

6. Виноградов С. Н., Палюх Б. В., Чесалов А. Ю. Метод анализа функционирования информационной системы социально-экономических показателей Тверской области. // Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» – ММТТ-14: Сборник трудов 14 международной научной конференции. Том 6. Секции 8 / Смоленский филиал Московского энергетического института (технического университета), Смоленск, 2001. C. 126—128.

7. Прохныч А. Н. Чесалов А. Ю. Разработка автоматизированной информационной библиотечной системы на базе Domino R5. // Российский Форум разработчиков и администраторов информационных систем на базе технологий Lotus от IBM.: Сборник трудов Российского форума на CD-Rom / Академия Госслужбы при президенте РФ, Москва. 2002.

8. Чесалов А. Ю. Комплексный подход к построению и оптимизации кластерных вычислительных сетей. // Международный научно-практический семинар и всероссийская молодежная школа «Высокопроизводительные Параллельные Вычисления на Кластерных Системах»: Сборник трудов 2 международного научного семинара. / Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, г. Нижний Новгород, 2002. С. 329—333.

9. Чесалов А. Ю. Методы выбора вычислительных средств при проектировании кластерных вычислительных сетей. // Международный научно-практический семинар и всероссийская молодежная школа «Высокопроизводительные Параллельные Вычисления на Кластерных Системах»: Сборник трудов 2 международного научного семинара. / Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, г. Нижний Новгород, 2002. С. 333—338.

Глава 1

Анализ проблем повышения эффективности функционирования региональной сети передачи, обработки и хранения данных (РСХД): 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 [[11 - .Юрасов П. В. Алгоритмизация оптимального проектирования информационных сетей на основе слабосвязных графов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.13.12. -Воронеж, 2000. -17 с.: ил. – Библиогр.:с. 16—17.],[12 - .Лясковский Ю. К. Frame Relay – путь к цифровой суперсвязи. Журнал «Сети» №7, 1995.]].

Анализ ситуации в регионах РФ показал, что в большинстве из них сетей передачи, обработки и хранения данных, в полном понимании рассматриваемой в работе концепции региональных сетей 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. [[13 - .Советов Б. Я., Яковлев С. А. Построение сетей интегрального обслуживания. Л.: Машиностроение, 1990.]].

Во многих странах создана и действует информационная индустрия с мощной инфраструктурой, обеспечивающей необходимую поддержку большого числа баз данных о различных видах деятельности общества на базе широкого использования технологий распределенных сетей хранения данных – SAN и NAS.

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 баз данных. В этом случае появляется возможность решать вопросы комплексного развития территории на основе анализа многоаспектной информации.

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

РСХД предъявляют высокие требования к эффективному использованию средств передачи данных и уровню обслуживания клиентов сети. 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 сетей в различных условиях функционирования.

На сегодняшний день задача построения региональной 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 Обзор технологий построения и проблемы организации эффективного функционирования РСХД

За последние годы появилось много новых разработок в области сетевого хранения данных. На сегодняшний день выделяют две концепции построения РСХД: первая – Network Attached Storage (NAS) и вторая, быстро развивающаяся, Storage Area Network, базирующихся на трех основных стандартах (протоколах), которые используются для организации РСХД – Fiber Channel, SCSI, InfiniBand и их модификациях для RNAS – iFCP, iSCSI [[14 - .Назаров В. М. Принципы построения и развития региональной информационной вычислительной системы: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук:05.13.13. -Пенза, 1997. -18 с. – Библиогр.: C.16—17.],[15 - .Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. М.: Мир, 1989.]].

Несмотря на то, что для построения РСХД в девяноста восьми случаях из ста используется технология Fiber Channel условная грань, разделяющая технологии хранения на сетевые устройства, постепенно стирается, а рынки альтернативных технологий расширяются (рис.1).

Рисунок 1. Сегментация рынка SAN

Одной из наиболее заметных тенденций в развитии распределенных сетей стало резкое увеличение спроса на сетевые устройства хранения. По прогнозам аналитической компании Yankee Group, в 2002 году доход от реализации систем хранения SAN вырос на 12,6% по сравнению с показателями предыдущего года, а к 2005 году он составит 8,56 млрд. долларов.

Рассмотрим три основных технологии, которые могут быть положены в основу региональной сети хранения данных.

Fiber Channel – технология передачи данных на уровне блоков (в отличии от передачи на уровне файлов) с предоставлением качества и класса услуг, включая гарантированную доставку пакетов. Данная технология позволяет осуществлять доступ к данным на уровне блоков быстрее, чем на уровне файлов, и дает возможность решить проблемы с безопасностью и перегрузкой системы. К недостаткам технологии Fiber Channel можно отнести то, что она поддерживает передачу данных на расстояния не более 10 км. С целью решить данные проблемы в Lucent Technologies и Cisco была разработана новая технология Fiber Channel IP (FCIP). Но анализ показал, что технология FCIP хоть и удовлетворяет требованиям гарантированной доставки, однако туннелирование в TCP/IP может стать серьезным препятствием, поскольку процедура обработки инкапсулированных пакетов способна негативно повлиять на эффективность и скорость системы в целом.

Альтернативой FCIP для построения РСХД служит протокол iFCP (Internet Channel Protocol), предложенный компанией Nishan, в основе которого лежит технология IP. Он предназначен для соединения шлюзов на базе TCP/IP, при котором Fiber Channel отображается на IP. Важно отметить, что iFCP предполагает замену коммутаторов и маршрутизаторов Fiber Channel на системы на базе IP, сохраняя способность связывать устройства Fiber Channel через IP. Данная технология может использоваться, как связующее звено между распределенными сетями передачи и обработки информации, так и в рамках сетей Fiber Channel [[16 - .Кларк Э. Fiber Channel, IP и некоторые другие технологии в сетях хранения. М: LAN, 2002, №7, С.36—41.]].

iSCSI (Internet SCSI) – технология позволяющая передавать команды SCSI поверх протокола IP и предназначена для передачи данных на уровне блоков с применением устройств, поддерживающих ленточные библиотеки и дисковые массивы, а также хост адаптеры и коммутаторы IP. Данная технология была разработана и поддерживается IBM, Cisco и Storage Networking Industry Association. Его применение позволяет с помощью сети IP объединить территориально распределенные центры обработки информации региональной сети, с одной стороны, и и устройства хранения данных – с другой, решив тем самым проблему удаленного доступа к данным, а в последствии и резервного копирования из любого сегмента региональной сети. Технология iSCSI позволяет также одновременно организовать несколько каналов ввода/вывода между несколькими конечными устройствами при наличии всего одного порта Ethernet. Но широкое распространение данного протокола ограничивается пропускной способностью существующих сетей IP, которой может быть недостаточно для обеспечения доступа к хранимой информациис требуемыми параметрами. Исходя из этого, для снижения задержек и возможных ошибок для передаваемых блоков данных (команд SCSI) существующие сети должны быть адаптированы для работы iSCSI [[17 - .Ковалев В. Резервное копирование данных в среде SAN. М: LAN, 2002, №7, С.36—41.]].

InfiniBand – технология, осуществляющая передачу данных на скорости 2,5 Гбит/с, разработанная компанией Intel и поддерживаемая Dell, IBM, Hewlett-Packard, Microsoft и Sun Microsystems. Спецификация InfiniBand описывает коммутируемую архитектуру «точка-точка», обеспечивая множеству устройств ввода/вывода возможность посылки одновременных запросов к процессору системы таким образом, чтобы в процессе передачи данных не возникло «узких» мест. Ее применение направлено на повышение производительности и масштабируемости кластерных систем хранения и обработки данных, а также подсистем РСХД.

Теперь рассмотрим и проанализируем технологии, которые используются как базовые для описанных выше, при проектировании региональной распределенной сети передачи, обработки и хранения данных на примере Тверского региона.

1996 год ознаменовался бурным ростом и развитием рынка коммутируемых технологий. Применение технологии коммутации оказало влияние на все аспекты обеспечения межсетевого обмена, начиная от типов продуктов кончая способом построения сетей, и обеспечило реальные выгоды в повышении производительности, упрощении и снижении стоимости проектирования, как локальных, так и глобальных сетей (рис.2) [[18 - .Петроски М. Будущее сетевых технологий: коммутация – то, что надо! М: LAN, 1996, №1, С.28—31],[19 - .Пьянзин К. Потребитель и новые сетевые технологии. М: LAN, 1996, №6, С.44—48],[20 - .Пьянзин К. Сетевые технологии для простых смертных. М: LAN, 2000, №2, С.16—17],[21 - .Лутковиц М. Рыночные реалии городских оптических сетей. М: LAN, 2000, №7, С.22—24],[22 - .Дорнан Э. Есть ли у ATM перспектива? М: LAN, 2001, №6, С.36—37],[23 - .Викерс Л. Оптика до настольных систем. М: LAN, 2001, №2, С.12—14]].

Для построения региональных сетей хранения существуют порядка десяти ведущих технологий обеспечивающих надежную и скоростную передачу данных. Сейчас основной моделью передачи данных по магистральной сети стала следующая цепочка: оптика – сеть SDH – сеть АТМ – сеть IP.

Большое распространение получили сети FrameRelay, ATM, различные варианты Ethernet и др.

Рисунок 2. Продажа коммутирующих концентраторов с 1994 по 1999 годы

Но в настоящее время наличие раздельных сетей становится непозволительной роскошью, поэтому столь высок интерес к технологиям, обеспечивающим совместную передачу разнородной информации с требуемым качеством.

Технология SDH (Synchronous Digital Hierarchy) представляет собой комплекс международных стандартов, относящихся к синхронному мультиплексированию и передаче данных. Оборудование SDH может передавать информацию со следующими линейными скоростями – 155Мбит/c – 2,5 Гбит/c.

Технология ATM может использоваться для передачи разных типов информации и одновременно поддерживать широкий спектр пользовательских приложений, в том числе оригинальных приложений ATM, унаследованных приложений для локальных сетей, голоса и видео. Способность передавать голос, данные, видео и мультимедийный трафик по глобальной сети является ключевым преимуществом ATM, так как он предоставляет одну общую сетевую технологию для общедоступных и частных сетей. Другим достоинством ATM является масштабируемая пропускная способность. В настоящее время скорость варьируется в диапазоне от 1,544 Мбит/с до 622 Мбит/с.

Технологии Fast Ethernet и ATM можно использовать для повышения производительности и управляемости различных сетей целым рядом способов. В конфигурации, приведенной на рисунке 3 коммутаторы, предоставляют многочисленные выделенные соединения на 10 Мбит/с с концентраторами в пределах всей организации. Коммутаторы образуют магистраль Fast Ethernet для разделяемых локальных сетей и серверов, они обеспечивают также соединение с территориальной магистралью ATM через маршрутизатор с интерфейсом ATM.

Рисунок 3. Повышение производительности сети с использованием технологий Fast Ethernet и ATM

Технология DTM (Dynamic synchronous Transfer Mode) создавалась с целью более рационального использования пропускной способности оптических сетей, поддержки широкополосного трафика в реальном масштабе времени и групповой адресации, обеспечения перераспределения ресурсов сети между сеансами связи. Она базируется на стеке из восьми протоколов и обеспечивает передачу данных со скоростью от 512 Мбит/c [[24 - .Полунин А. Технология DTM. М: LAN, 2001, №2, С.32—35]].

Наиболее перспективным подходом к построению региональных сетей передачи и хранения данных является использование спутниковой связи. Она имеет существенные преимущества над наземными системами связи. Наиболее значимыми, из которых является скорость передачи данных. Вследствие использования беспроводных технологий спутниковые сети могут достичь практически любых удаленных географических областей, в том числе в регионах с недостаточно развитой коммуникационной инфраструктурой. Благодаря своей независимости от услуг телекоммуникационных компаний, спутниковая связь не подвержена перерывам в работе, например, из-за повреждения кабеля.

Однако существуют и недостатки. В частности, спутниковая связь очень дорога и относительна молода. Кроме того, крупные проекты в данной области не так-то просто воплотить в жизнь, для этого компания должна как минимум располагать значительными финансовыми средствами и получить одобрение в нескольких национальных и международных организациях. С технической точки зрения потенциальной проблемой является блокирование принимаемого со спутника сигнала зданиями и даже листвой деревьев в зависимости от типа применяемой технологии. Кроме того, сейчас стоит наиболее остро вопрос защиты информации: при спутниковой связи сигнал может быть принят любым неуполномоченным лицом. Шифрование спутниковых каналов не осуществляется, но некоторые производители предлагают программное обеспечение шифрования, с помощью которого можно защитить трафик [[25 - .Киларски Д. Спутниковые сети: данные уходят в небо. М: LAN, 1997, №8, С.13—14]].

Используемые спутники можно разделить на две основные категории: геостационарные и низкоорбитальные. Среди других технологий – спутники на средней орбите и гибридные формы спутниковых сетей.

Для разработки региональной сети хранения наиболее подходит использование низкоорбитальных спутников, которые представляют собой созвездия относительно небольших спутников, вращающихся на более низких высотах, чем геостационарные системы. Эти спутники можно разделить на два основных класса: большие и малые. Первые работают на частотах свыше 1 ГГц, а вторые – менее 1 ГГц.

Связь через низкоорбитальные спутники имеет малую задержку и большой потенциал для увеличения пропускной способности (табл.1).

Таблица 1.

Существует еще одна немаловажная особенность – создание региональной спутниковой сети вынуждает проектировщиков прибегнуть к услугам нескольких посреднических организаций. Консультанты и системные интеграторы осуществляют проектирование и инсталляцию оборудования, операторы связи предоставляют каналы и выполняют мониторинг связи между конечными точками, а производители оборудования предоставляют поддержку после выявления какой-либо проблемы, все это требует колоссальных финансовых затрат.

Сегодня многие сервис-провайдеры в области спутниковых сетей предлагают свои услуги по анализу и проектированию сети, управлению проектом, снабжению, сопровождению, инсталляции, управлению сетью, предоставлению спутниковых каналов связи, обучению, обслуживанию заказчиков [[26 - .Эйнджел Д. Спутниковые сети: ключ на старт? М: LAN, 1999, №7—8, С.28—31],[27 - .Дорнан Э. Последние пятьсот миль. М: LAN, 2001, №5, С.14—18],[28 - .Строндж Т., Финни Г. Глобальная пропускная способность: избыток или нехватка? М: LAN, 2000, №11, С.23—25]].

Как уже подчеркивалось, для проектирования и внедрения современных региональных сетей широко используются аналоговые и цифровые каналы связи, интегральные технологии передачи различных видов трафика: сети с интеграцией услуг (ISDN), сети с ретрансляцией кадров (Frame Relay), сети с асинхронным режимом передачи (ATM). На базе этих систем связи реализуется широкое разнообразие телекоммуникационных решений.