Исследование и разработка методов и средств повышения структурной и функциональной устойчивости научных и университетских сетей

Актуальность темы

Фундаментальные и прикладные исследования во всех областях физики, как теоретической, так и экспериментальной, в возрастающей степени опираются на информационные, вычислительные и коммуникационные сервисы так называемых «академических» компьютерных сетей, интегрированных в Интернет. Эта тенденция характерна и для высшей школы. Институты РАН и университеты были очагами зарождения российских региональных академ сетей, продолжают играть ведущую роль в разработке и внедрении новейших сетевых технологий и сервисов, обеспечивающих использование удаленных вычислительных мощностей, совместную работу рассредоточенных научных групп, дистанционные наблюдения и эксперименты, дистанционное образование при подготовке и повышении квалификации научных кадров. Научные и образовательные учреждения собственными усилиями, опираясь на свой интеллектуальный потенциал в большей степени, чем на финансовые ресурсы, развивают свои корпоративные сети, предоставляющие контингенту сотрудников не только возможность работы во внешних сетях, но и все более возрастающие по значимости внутренние информационные, вычислительные и коммуникационные сервисы самой корпоративной сети (интранет).

Однако по мере того, как все большая часть сферы деятельности организации опирается на сетевые технологии, возрастает ее зависимость от качества и надежности услуг ее корпоративной сети и внешних академсетей. Критерии эффективности и надежности академических сетей определяются целями и условиями их функционирования, отличными от специфики коммерческих, фирменных или административно-ведомственных сетей, и должны быть сформулированы с учетом их предназначения и на основе представлений научного коллектива и отдельного сотрудника о качестве и надежности предоставляемого им сервиса. 5.

Возрастающие требования к безотказности сети и гарантированному качеству сетевых услуг должны с опережением учитываться при создании новых и модернизации существующих научных сетей любого масштаба — от региональной до локальной лабораторной сети — на всех уровнях сетевой иерархии — от физической среды до протоколов прикладного уровня.

Таким образом, исходя из целей функционирования научных и образовательных сетей, закономерностей их децентрализованного индивидуального становления и развития в условиях существенных финансовых ограничений, заведомо ненадежной внешней сетевой среды и с учетом возрастающей степени риска при отказах в сети, приводящих к срыву дорогостоящих плановых экспериментов, научных конференций и образовательных программ, результаты исследований, позволяющие повысить эффективность и надежность таких сетей, отвечают потребностям не только научных кругов, но и общества в целом.

Цель работы. Цель работы лежит в русле обозначенного выше актуального направления исследований, сформулирована в названии диссертации и предполагает решение следующих задач.

1. Проанализировать критерии эффективности и надежности компьютерных сетей, их применимость для научных и образовательных сетей.

2. Обосновать необходимость и разработать обобщенный показатель функциональной и структурной устойчивости рассматриваемых сетей, позволяющий учитывать стабильность и качество предоставляемых ими сервисов.

3. На основе вводимого показателя определить первостепенные направления оптимизации параметров функционирования сети.

4. Разработать методику и средства сбора статистических данных для оценки обобщенного показателя эффективности и надежности сетей.

5. Исследовать проблему синтеза физической топологии сети кампуса по критериям топологической устойчивости и живучести, разработать практическую методику поиска субоптимальных решений, отвечающих таким критериям.

Методы исследования. В работе использованы методы оптимизации, теории надежности, теории ассоциативных измерений, математической статистики. Общей методологической основой служит системный поход.

Научная новизна. Рассмотренные в работе взаимосвязанные задачи сформулированы в новой постановке и для их решения предложены либо оригинальные методы, либо новая комбинация ранее известных методов с их модификацией.

1. Предложен и обоснован обобщенный показатель эффективности и надежности корпоративных сетей, учитывающий специфику их использования в научных исследованиях и в образовательных целях (астрофизические эксперименты, радиометрические наблюдения, дистанционное взаимодействие исследовательских групп и обучение).

2. На сетевом и транспортном уровнях сформулирована и исследована задача комплексной диагностики состояния сети и внешних трасс передачи дейтаграмм в IP-сетях. Предложены принципы построения адаптивного анализатора протоколов TCP/IP, позволяющего периодически зондировать внешние относительно многосвязного местного коммуникационного узла трассы с частотой и степенью детальности тестирования, автоматически варьируемыми в зависимости от интенсивности потока сообщений об ошибках доставки исходящих из сети пакетов к удаленным адресатом и других симптомов, прогнозирующих возникновение перегрузок, широковещательных штормов, угроз внешнего воздействия (ICMP-flooding).

3. На уровне физической среды сформулирована и исследована задача топологического синтеза территориально распределенной сети кампуса с учетом прогнозируемой динамики роста информационно-вычислительных и телекоммуникационных ресурсов сети и роста потребностей подразделений-пользователей. Предложен и обоснован принцип структурирования магистрали сети, обеспечивающий гибкую адаптивность синтезируемой структуры и живучесть сети в течение длительного периода. Доказана целесообразность введения существенной структурной избыточности в синтезируемую топологию. Предложена модель структуризации, позволяющая применить декомпозиционный метод решения задачи многокритериального синтеза топологической структуры, отвечающей выбранным критериям эффективности и надежности. Разработана многоэтапная итеративная процедура решения задачи синтеза в условиях существенной неопределенности исходных данных. На защиту выносятся:

• методика оценки эффективности и надежности сетей по обобщенному показателю, учитывающему стабильность и качество предоставляемых сервисов;

• метод построения адаптивного программного анализатора, позволяющего осуществить комплексный мониторинг состояния сети и внешних трасс передачи дейтаграмм;

• методика построения опорной сети кампуса с перестраиваемой логической топологией магистральных связей, обеспечивающая живучесть сети и возможность ее адаптации к изменяющимся условиям эксплуатации.

Основные концепции и структура построения работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 106 источников и трех приложений. Объем работы-95 страниц.

Результаты работы нашли практическое применение в разработках, в которых автор принимал участие в качестве руководителя группы, ответственного исполнителя, соисполнителя, консультанта или эксперта, а также частично отражены в лекциях по курсу «Архитектура сетей ЭВМ», в электронном пособии и в сетевой обучающей системе. Исследования по разделам диссертации проводились в рамках научных программ Мин/науки, РАН, РФФИ и Министерства образования.

По разделам диссертации опубликовано 25 работ (в том числе справочное экспертно-аналитическое пособие, 2 статьи, 2 внешних отчета и тезисы 20 докладов). Основные положения диссертационной работы обсуждались в период с 1994 по 2000 Гг. на международных и всероссийских конференциях, школах и семинарах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Ключевая идея и главные задачи диссертации в одной фразе могут быть сформулированы так: для научных и вузовских сетей с учетом целей, специфики их функционирования в ненадежной среде и в то же время в условиях возрастающих требований к устойчивости, может быть сформулирован адекватный этим условиям и требованиям критерий устойчивости предоставляемых сетью информационных и коммуникационных услуг, допускающий количественную оценку, обеспечиваемую соответствующей методикой и средствами измерения значений, входящих в этот критерий параметров, а на основе этого критерия могут решаться задачи анализа и оценки текущего и прошлых состояний сети, и он может быть учтен при решении проблемы синтеза структуры сети, способной обеспечивать необходимый уровень топологической устойчивости и живучести при разнообразных неблагоприятных воздействиях.

Соответственно сформулированы и исследованы три проблемы: показателей, критериев и моделей оценки устойчивости и стабильности предоставляемых сетью услуг научной общественностиметодов и средств эмпирической оценки сети по выбранным критериямметодики придания сети структурной избыточности, обеспечивающей необходимую живучесть и устойчивость к воздействиям неблагоприятных факторов. Три названные взаимосвязанные проблемы решаются последовательно в главах диссертации.

В первой главе в качестве обобщенных показателей устойчивости сервисной способности сети предложено оценивать ее характеристиками ¦ фк=Тп (т к) — средними временами наработки на отказы различных длительностей т. В качестве относительного генерализированного показателя стабильности соблюдения заданного уровня 0о8 для трех критериев качества услуг предложено рассматривать порядок отношения средней наработки на отказ некоторой длительности к длительности соответствующего отказа в сервисе: як = Тн (т) — т*к.

Фиксированные целочисленные степени q могут рассматриваться в качестве критериальных обобщенных показателей, характеризующих минимальную обеспечиваемую сетью степень устойчивости сервисов на заданном уровне QoS. Рассмотренный подход к оценке качества работы сети по выдвинутому обобщенному показателю ССС позволяет оценить уровень качества предоставляемых сетью услуг, надежность сети, определить длительности отказов, существенно снижающих сервисную способность сети.

Полученные выводы служат основанием для определения последующих направлений исследования проблем повышения отказоустойчивости академических сетей с использованием введенных терминов, понятий и критериальных оценок. Среди этих направлений в качестве основных в работе были выделены следующие два. 1) Разработка методики и средства регистрации длительностей событий отказов в сервисах, формирования исходных экспериментальных данных для расчета введенных обобщенных показателей и построения характеристических зависимостей вида (р=Тн (т k), а также для диагностики причин отказов, что позволит повысить устойчивость сети к функциональным нарушениям ее работоспособности. 2) Наиболее ощутимые последствия вызывают длительные отказы — их причины обусловлены форс-мажорными факторами структурного и организационного характера. В таких случаях методы функциональной коррекции сбоев на канальном, сетевом и транспортном уровнях не работают, если они не обеспечены на нижнем физическом уровне возможностью использования альтернативных путей передачи данных. Иными словами, предупреждения длительных отказов должны быть обеспечены соответствующей структурной устойчивостью корпоративной (в частности кампусной) сети.

Во второй главе предложена методика сбора, накопления и обработки данных о состоянии внутренних и внешних трасс передачи пакетов в корпоративных научных сетях. Полученные статистические данные о событиях, состоящих в отказах либо в снижении качества сервиса по критериям.

ОоЬ, могут быть использованы для оценки устойчивости сервисной способности сети. Представленный метод, основанный на активном и пассивном мониторинге сети, позволяет автоматически выполнить частичную диагностику и локализацию причин сбоев, а также оперативное оповещение и накопление статистических данных.

В третьей главе дан анализ итеративного процесса синтеза топологии разветвленной опорной сети кампуса, моделей и алгоритмов, используемых на его этапах, критериев оптимизации по показателям живучести и надежности. Предложена отвечающая таким критериям модель сети, топологическая устойчивость которой обеспечивается тем, что локальная коннективность узлов сети дополняется дублирующей глобальной коннективностью. Заложенное в модель свойство топологической гибкости, обеспечиваемое магистральными кроссами, позволяет синтезировать реконфигурируемую структуру, адаптируемую к изменяющимся условиям эксплуатации. Предложенный подход и методика построения сегментированных оптоволоконных магистралей могут быть использованы при проектировании кампусных сетей широкого класса.