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

Наиболее распространенным решением во многих регионах при построении распределенных сетей для связывания территориально удаленных подразделений или филиалов предприятий является применение аналоговых линий связи. Популярность такого решения обусловлена, прежде всего, его доступностью и относительно невысокой стоимостью.

Можно выделить, два наиболее подходящих и перспективных подхода по передаче данных на большие расстояния и с высокой скоростью.

Первый – это использование системы широковещательной передачи данных, поддерживающей VBI (Vertical Blanking Interval) -технологию. VBI разработана канадской фирмой Norpak Corporation и предназначена для доставки неограниченному числу абонентов телевизионной сети различной информации, в виде текстовых, графических и д.р. файлов, БД, Internet-страниц и т. д. Система передачи данных полностью совместима со всеми стандартами сигналов телевещания, имеет соответствующее аппаратно-программное обеспечение и может использоваться в любых средах распространения.

Скорость передачи данных определяется количеством используемых телевизионных строк и способом преобразования данных, и может находиться в диапазоне от 9600 до 115200 бит/сек. В случае использования всех строк телевизионного сигнала (при этом видеосигнал не передается), пропускная способность канала может достигать 4 Мбит/сек. Сети телевещания относят к наиболее отказоустойчивым и надежным системам в мире, доставляющим информацию практически в течение всего рабочего времени.

Данная технология широко используется многими странами, и ее применяют крупнейшие компании (CNN, NBC, ABC, CBC, CBS, IBM, AT&T, Apple и т.д.).

Одним из ключевых преимуществ передачи данных по системам телевещания является возможность получения данных там, куда проходит телевизионный сигнал, т.е. практически 94% всей территории области (см. Рис.4).

Необходимо отметить, что основным ограничивающим фактором передачи данных по системам телевещания является то, что данная система является однонаправленной. Ее использование неприемлемо для работы с СУБД и приложений, работающих в режиме on-line. С другой стороны, перечисленные ранее характеристики, экономичность системы позволяют использовать данную технологию как альтернативную или дополнительную в областях, связанных с односторонней передачей данных, где поток от одного ко многим передается по VBI—технологии, а обратная связь осуществляется с использованием других технологий.

Рисунок 4. Зоны охвата телепрограммой РТР

Второй – использование оптоволоконных каналов связи (ОКС) (Рис.5) в сочетании с Radio-Ethernet.

Основное преимущество передачи данных по ОКС – это сочетание большой пропускной способности канала с двунаправленностью. Но есть и недостатки, одним из существенных – это отсутствие ОКС в 14 районах области, а также стоимость прокладки и монтажа оборудования.

Рисунок 5. Схема телекоммуникаций на ОКС Тверской области

Помимо этого, не все клиенты имеют прямой выход на ОКС и, как следствием этого, пропускная способность до данного канала от провайдера до клиента ограничивается качеством и техническими характеристиками линий телефонных станций. Ситуация усугубляется еще не только их качеством, при котором реальная пропускная способность канала очень низка, но и мизерным количеством цифровых автоматических телефонных станций (АТС), которые способны обеспечить достаточную надежность соединения и скорость передачи данных.

Технология Radio-Ethernet прекрасно дополняет и расширяет возможности традиционных каналов передачи данных от провайдера до клиента. Она является аналогом технологии Ethernet. Пропускная способность, на данный момент, канала ограничивается 512 Кбит/c. Внедрение данной технологии в городах и районах области способно обеспечить стабильную, бесперебойную, качественную передачу данных на большие расстояния (десятки километров), но ее применение ограничено высокой стоимостью базового оборудования, арендуемого канала и технической поддержки.

Анализ ситуации в Тверском и многих других регионах показал, что, несмотря на наличие уже имеющихся каналов, единой региональной сети обработки социально-экономической информации, функционирующей на базе административного центра обработки информации и подчиненных ему районных центров, в полном ее понимании, не существует.

Другая проблема состоит в недостатке или полном отсутствии финансирования проектов.

Имеющееся число провайдеров (поставщиков) услуг Интернет в основном предлагают узконаправленный сервис, ориентированный на небольшое число городов региона, который составляет основу их доходов. В свою очередь, преимущества от использования РСХД, несмотря на большие инвестиции, состоят прежде всего в повышении уровня сервиса, расширении диапазона информационных услуг, экономии времени и финансовых затрат на передачу, обработку, хранение информации.

Кроме того, при существующей практике, при выборе и утверждении сетевых проектов, для большинства организаций, характерны следующие недостатки:

– принятие и оценка решений в подавляющем большинстве случаев основано лишь на интуиции проектировщиков, выступающих в качестве экспертов;

– при выборе проектов неоправданно принимаются допущения, что все анализируемые варианты являются практически равноценными по показателям надежности, качества и пропускной способности, что далеко не соответствует истине;

– как правило, окончательные решения принимаются на основании показателя приведенных затрат, при этом игнорируется ряд важных показателей, отвечающих за качество, надежность, сервис и перспективность развития региональных вычислительных сетей.

Перечисленные выше проблемы являются типичными для большинства регионов (областей) Российской Федерации.

В направление развития концепции РСХД, разработки и реализации единых правил, принципов и стандартов по формированию и ведению первичных информационных ресурсов на муниципальном и областном уровнях управления, появляется необходимость в разработке экономически и математически обоснованных моделей, методов и методик эффективного проектирования региональных систем передачи, обработки и хранения социально-экономической информации в условиях использования разнородных каналов связи. Они, в свою очередь, станут единой основой для разработки соответствующих проектов формирования информационного пространства регионов РФ.

1.3 Обзор математических методов проектирования распределенных вычислительных сетей

Проектирование РСХД является сложной и комплексной задачей, решение которой можно разбить на следующие основные этапы (рис. 6):

– Обследование.

– Составление и утверждение технического задания.

– Технический проект.

– Рабочий проект.

– Монтаж оборудования.

– Опытное функционирование или тестирование работы аппаратно-программных комплексов.

– Приемочные испытания.

– Обучение и поддержка (сервис).

– Эксплуатация.

– Оптимизация и модернизация.

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

Рисунок 6. Основные этапы и алгоритм проектирования региональной распределенной вычислительной сети

После анализа факторов, определяющих выбор аппаратно-программного обеспечения и нацеленных на повышение эффективности функционирования, выполняется определение и выбор топологии РСХД. В результате чего должна быть создана структура, обеспечивающая оптимальную передачу заданных потоков информации по всем направлениям информационного обмена. Сложность этой задачи для региональной сети заключается не только в значительном объеме вычислений, но и в ограниченных возможностях определения исходных объемов передаваемой информации, потоки которой возрастают в ходе эксплуатации сети [[29 - .Дрогсет Д. В поисках истинных причин сетевых проблем. М: LAN, 2001, №6, С.28—34],[30 - .Кульгин М. Маршрутизация и сигнализация. М: LAN, 1998, №7—8, С.19—21],[31 - .Крейнес А. Вычислительные сети – без проводов. М: LAN, 1996, №6, С.27—28],[32 - .Савельев А. Современные протоколы маршрутизации. М: LAN, 1998, №12, С.38],[33 - .Олифер В., Олифер Н. Искусство оптимизации трафика. М: LAN, 2001, №12, С.18—21]].

Наиболее часто используемый подход к решению данной проблемы заключается в теоретическом разбиении имеющейся сети на более простые структурные образования – структуру минимальной сети, анализе каждого из них и получении агрегированных характеристик сети композицией показателей простых структур [[34 - .Шварц М. Сети ЭВМ. Анализ и проектирование. —М.: Радио и связь, 1981. -336 с.]].

Как известно топология сети существенно влияет на надежность, гибкость, пропускную способность, стоимость сети и передаваемого по ней трафика, время ответа, и определяется способом соединения ее узлов каналами связи. На практике используются четыре базовые топологии: шинная, кольцевая, звездообразная, древовидная (иерархическая).

В работе [[35 - .Заби З. К. Многокритериальная оптимизация построения и развития распределенных сетей. Автореф. дис… канд. технич. наук. Киев.:КПИ,1990.-17с.]] применение методов многокритериальной оптимизации, теории нечетких множеств (при совместном учете показателей количественного и качественного характера), алгоритмов дискретного математического программирования, основанные на точных методах позволяют построить топологические схемы распределительных сетей и выбрать оптимальное решение для конкретной задачи. Они выбираются по нескольким критериям. При этом решение локально-оптимальное по любому из названных критериев принадлежит области Парето.

Настоящий алгоритм обеспечивает отыскание оптимального числа линий, отходящих от источника питания при учете ряда ограничений. При этом процесс оптимизации может начинаться из любого узла сети.

Автором подчеркивается, что получаемые по частным критериям схемы являются локально-оптимальными вариантами построения распределительных сетей. В общем случае указанные варианты не охватывают все альтернативы, принадлежащие области Парето. В связи с этим возникает необходимость «размножения» вариантов схем распределительных сетей. Для этой цели используются следующие подходы:

– формирование схем распределительных сетей осуществляется экспертом или в результате применения существующих традиционных алгоритмов выбора конфигурации сетей;

– формирование схем распределительных сетей осуществляется исходя из учета объективно существующей неопределенности исходной информации.

Последние варианты также должны принадлежать области Парето, т.е. необходима их проверка принадлежности к этой области. Для выбора окончательного решения в работе предлагается два взаимно дополняющих друг друга пути анализа.

Первый из них ориентирован на формирование и анализ модели однокритериального выбора среди схем, равноценных по показателям надежности электроснабжения и качества электроэнергии.

Второй подход связан с построением и анализом модели многокритериального выбора, обеспечивающего учет показателей как количественного, так и качественного характера.

Использование данного математического аппарата позволило автору решить следующие задачи:

– провести критический анализ существующих проблем проектирования и реконструкции распределительных электрических сетей среднего напряжения;

– разработать адекватную математическую модель для оценки и оптимизации надежности распределительных электрических сетей;