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 - Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005612532. Операционная система «PyrOS» для аппаратно-программных межсетевых экранов / А. Ю. Чесалов, А. В. Борисович, В. Ю. Вершинин, П. А. Жуков. – 28.09.2005 г. – М.: Роспатент, 2005.],[13 - Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005612795. Модуль управления межсетевым экраном fwctl / А. Ю. Чесалов, А. В. Борисович, В. Ю. Вершинин, П. А. Жуков. – 27.10.2005 г. – М.: Роспатент, 2005.],[14 - Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005612796. Командный интерпретатор межсетевого экрана fwsh / А. Ю. Чесалов, А. В. Борисович, В. Ю. Вершинин, П. А. Жуков. – 27.10.2005 г. – М.: Роспатент, 2005.],[15 - Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005612749. Технологическая программа автоматизированной сборки загрузочного образа встраиваемой операционной системы «PyrOS» / А. Ю. Чесалов, А. В. Борисович, В. Ю. Вершинин, П. А. Жуков. – 27.10.2005 г. – М.: Роспатент, 2005.].
Результаты НИОКР опубликованы в отдельной книге «Разработка встраиваемой сетевой операционной системы PyrOS».[16 - Чесалов А. Ю. Разработка встраиваемой сетевой операционной системы PyrOS / А. Ю. Чесалов. – 1-е изд. – Москва: Ridero, 2023. – 220 с. – URL: https://ridero.ru/books/razrabotka_vstraivaemoi_setevoi_operacionnoi_sistemy_pyros/ (https://ridero.ru/link/avCPvfZA1v3qP904CHgpb) (дата обращения: 31.05.2023). – Текст: электронный.]
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 - Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2023619721. Т электронная универсальная система машинного обучения «Atlansys EUS» / А. Ю. Чесалов, А. Х. Юлдашев. – 15.05.2023 г. – М.: Роспатент, 2023.]
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),[18 - Булатов C.B. Модификация модели поведения абонента сети NGN // Международный форум информатизации (МФИ-2007): Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы» :– М. МТУСИ. – 2007. – С.110—111.][19 - Булатов C.B., Степанов Б. Л. Развитие сетей связи с использованием концепции IMS // Труды МТУСИ. 2007, – С.152 -157.],[20 - Булатов C.B. Возможности регулирования трафика на абонентском участке сети доступа NGN (МФИ-2008): Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы» :– М. МТУСИ. – 2008. – С. 121—123.],[21 - Булатов C.B. Формализованное представление обслуживания вызовов в сети NGN (МФИ-2008): Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы»: – М. МТУСИ. -2008. – С.119 -121.],[22 - Булатов C.B., Степанова И. В. Определение совокупности задач математического описания сети доступа NGN// Международный форум информатизации (МФИ-2008): Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы»: – М. -МТУСИ.-2008.-С.118—119.],[23 - Гольдштейн A., Атцик А. Построение NGN: IPCC vs. TISPAN. «Connect! Мир связи», 2006, №4, С.1—8.],[24 - Калигин А. Бизнес в облаках. М: Стандарт, 2011, №4, С.58—61.].
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 - ETSI ETS 300 406. Methods for Testing and Specification (MTS). Protocol and profile conformance testing specification. Standardization Methodology. 1995.],[26 - ETSI TR 101 028. Methods for Testing and Specification (MTS). Survey on the use of Test Specification produced by ETSI. 1997.],[27 - ETSI EG 102 103. Methods for Testing and Specification (MTS). Guide for the use of the second edition of TTCN. 1999.],[28 - ETSI TR 101 873. Methods for Testing and Specification (MTS). TTCN-3 Graphical presentation Format (GFT). 2002.],[29 - ETSI TS 101 875. Methods for Testing and Specification (MTS). TTCN-3 Librаry of Additional Predefined Functions. 2000.],[30 - ETSI ES 101 873. Methods for Testing and Specification (MTS). The Testing and Test Control Notation version 3. TTCN-3 Control Interface (TCI). 2003.],[31 - ETSI EG 201 148. Methods for Testing and Specification (MTS);Guide for the use of the second edition of TTCN. 1998.],[32 - ETSI TR 101 877. Telecommunications and Internet Protocol Harmonization Over Networks (TIPHON);Requirements Definition Study; Scope and Requirements for a Simple call. 2001.],[33 - ETSI TS 186 002. Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN); Interworking between Session Initiation Protocol (SIP) and Bearer Independent Call Control Protocol (BICC) or ISDN User Part (ISUP).],[34 - ETSI TS 186 005—2. Telecommunications and Internet Converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN);Terminating Identification Presentation (TIP) and Terminating Identification Restriction (TIR); Part2: Test Suite Structure and Test Purposes (TSS&TP). 2006.].
– Международный союз электросвязи (МСЭ или ITU – International Telecommunicational Union),[35 - ITU-T Recommendation Y.1221. Internet protocol aspects – Architecture, access, network capabilities and resource management. Traffic control and congestion control in IP based networks, 2002.][36 - ITU-T Recommendation Y.1231. Internet protocol aspects – Architecture, access, network capabilities and resource management. IP access network architecture, 2000.],[37 - ITU-T Recommendation Y.1540. Internet protocol data communication service – IP packet transfer and availability performance parameters, 2011.],[38 - ITU-T Recommendation Y.1541. Network performance objectives for IP-based services, 2006.],[39 - ITU-T Recommendation Y.2012. Functional requirements and architecture of the NGN, 2006.],[40 - ITU-T Recommendation Y.2021. Next Generation Networks – Frameworks and functional architecture models. IMS for Next Generation Networks, 2006.].
– 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 - Гольдштейн Б. С., Гойхман В. Ю., Столповская Ю. В. Сети NGN. Оборудование IMS: учебное пособие. Издательство «ТЕЛЕДОМ» ГОУВПО СПбГУТ, 2010.]
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 - ITU-T Recommendation Y.2012. Functional requirements and architecture of the NGN, 2006.]
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 - Гольдштейн Б. С., Соколов Н. А., Яновский Г. Г. Сети связи. Учебник для ВУЗов. СПб.: БХВ – Санкт-Петербург, 2010. – 400 с.].[44 - Гойхман Э. Ш., Лосев Ю. И. Передача информации в АСУ. – М.: Связь, 1976. – 280 с.]
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 - Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России. Версия 4. – М.: Минсвязи РФ, 2001. – 35с.]
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.
