Машталер И. Я. Организация сетевого взаимодействия пространственно-распределенных элементов информационно-аналитических систем мониторинга динамических объектов.

Организация сетевого взаимодействия пространственно-распределенных элементов информационно-аналитических систем мониторинга динамических объектов.

Автор статьи: Машталер И. Я. (г. Киев)

Задача организации сетевого взаимодействия пространственно-распределенных элементов информационно-аналитических систем мониторинга динамических объектов (ИАС МДО) для решения вопросов обработки информации в реальном времени (РВ) относится к задаче проектирования телекоммуникационных систем (ТКС).

Взаимопроникновение различных по своей природе коммуникационных технологий породило целый ряд проблем, связанных как с предоставлением различного типа услуг при наличии фиксированной канальной и сервисной инфраструктуры, так и со строительством новых телекоммуникационных сетей, призванных обеспечить существование разнообразных сервисных приложений, а также обладающих способностью расширения и структурного изменения при необходимости в предоставлении новых (вполне возможно, еще неизвестных) типов услуг. В связи с этим методы анализа и синтеза технической структуры ТКС являются актуальной задачей. Эти методы инвариантны к задачам, порожденным конкуренцией и новыми технологиями.

При проектировании технической структуры ТКС можно выделить следующие основные этапы:

1. Определение типа сети передачи данных.

2. Проектирование физических носителей сети.

3. Планирование технологий, протоколов передачи данных и политики маршрутизации основной сети.

4. Проектирование системы управления основной сетью.

5. Определение интерфейсов основной сети в другие сети.

6. Планирование технологий, протоколов передачи данных и политик маршрутизации наложенных сетей различных уровней.

7. Проектирование систем управления наложенными сетями.

8. Определение интерфейсов в другие наложенные сети.

Приведенные выше этапы проектирования тесно связаны между собой и, в большинстве случаев, предполагают итеративный процесс со значительным количеством прямых и косвенных связей между этапами. Построение стройного алгоритма реализации данных этапов является важной задачей. Этапы 1-5 проектирования телекоммуникационной среды относятся к проектированию опорных сетей. Этапы 6-8 проектирования ТКС относятся к проектированию наложенных сетей . При первичном планировании технической структуры можно ограничиться проектированием наложенных сетей .

Сущность систем мониторинга заключается в том, что в рамках этих систем происходит объединение географически распределенных объектов слежения и множества клиентов, имеющих доступ к информации по этим объектам с возможностью их управления.

Определение информационных потоков.

Информационный поток – это движение в некоторой среде данных, представленных в структурированном виде. При разработке сложных систем, к которым относится Система Обработки Информации (СОИ), необходимо рассматривать совокупность связанных между собой информационных потоков, обеспечивающих необходимой информацией в требуемые сроки и в удобной для использования форме все подсистемы СОИ [2].

В системе определены следующие информационные потоки:

- информационные потоки координатной информации;

- информационные потоки информации общего вида;

- информационные потоки оперативно-командной связи.

Обоснование архитектуры взаимодействия.

В основу организации сетевого взаимодействия пространственно-распределенных элементов ИАС для решения вопросов обработки информации в РВ положен многоуровневый иерархический подход.[4]

ИАС МДО будем рассматривать как систему трехслойной иерархии или сеть трехуровневой архитектуры. Данная иерархия и декомпозиция на более мелкие типовые объекты (применение типизации) позволяет разбить задачу организации сетевого взаимодействия на подзадачи и подсистемы [5].

Архитектура телекоммуникационной среды (ТС) ИАС МДО реального времени (Рис.1) включает следующие элементы:

- типовые телекоммуникационные объекты (ТТО);

- подобъекты типовых телекоммуникационных объектов (ПТТО);

- объекты телекоммуникационного взаимодействия (ОТВ).

Рис. 1. Архитектура ТС ИАС МДО реального времени

Рассмотрим состав каждого уровня иерархии.

Первый уровень объединяет N типовых телекоммуникационных объектов (ТТО), на скоростях магистральных каналов и обеспечивает взаимодействие территориально-распределенной системы .

Второй уровень представляет собой уровень ТТО – это объединение подобъектов (ПТТО) ТТО: ПТТО1 – объект взаимодействия источников и потребителей системы с ТТO; ПТТO2 – объект взаимодействия модулей ПТТO; ПТТO3 – объект взаимодействия внутри локальной сети. Второй уровень взаимодействия ТТО представляет технологию распределения трафика и оптимизацию производительности процессов взаимодействия в ТТО. Он состоит из объектов типа локальная вычислительная сеть (ЛВС). Объекты могут быть с горизонтальной, вертикальной или смешанной структурой.

Третий уровень – это уровень ПТТО и его составляют объекты телекоммуникационного взаимодействия (ОТВ), ОТВ могут быть: источники информации – ОТВ1(I) I=1,L; объекты маршрутизации – ОТВ2(I) I=1,M; объекты ЛВС – ОТВ3(I) I=1,S.

Объекты ОТВ1 представляют собой источники (датчики) информации мониторинга динамических объектов и потребители (вышестоящие органы) информации. Объекты ОТВ2 представляют собой объекты определяющие способ взаимодействия: маршрутизаторы, коммутаторы, мосты, модемы. Объекты ОТВ3 представляют собой серверы, АРМ и периферию.

ИАС МДО РВ представляет собой интегрированную широкополосную сеть с предоставлением множества услуг. Такую сеть называют мультисервисной [5].

Рассмотрим три основных подхода в проектировании ТС: с собственной инфраструктурой магистральной транспортной сети связи (рис. 2); с использованием арендуемой инфраструктуры магистральной транспортной сети связи, принадлежащей другим компаниям (рис. 3); смешанные инфраструктуры с использованием собственной и арендуемой инфраструктуры.

Назначение узла связи (УС) – организовать магистральную среду широкополосного доступа совокупности ТТО и совокупности ОТВ1. УС может быть как вынесенным, так и входить в состав модуля TTО. Если УС входит в состав ТТО, то последняя миля в архитектуре (рис. 2 ) отсутствует. Если УС выносной (это позволяет упростить, унифицировать, масштабировать, удешевить собственную среду связи), то последняя миля присутствует. Такая архитектура позволяет ИАС самой стать оператором связи и предоставлять услуги связи. Данный способ проектирования ТС предполагает большие объемы капиталовложений, сложность во внедрении и эксплуатации, наличие разнородных специалистов высокой квалификации и избыточность по пропускной способности.

Рис. 2. Архитектура с независимой средой

взаимодействия от оператора.

На рис. 3 показана архитектура с использованием оператора связи. Многие операторы (провайдеры) могут предоставлять как проводные, так и беспроводные каналы связи. Выбор оператора (операторов) зависит от требуемых пропускных способностей каналов ТС.

На рис. 3 канал связи представляет собой последнюю милю (модуль УС – межстанционное коммуникационное оборудование). Основное достоинство архитектуры: простота реализации и умеренная стоимость на этапе реали-зации, недостатки: увеличение стои-мости в процессе эксплуатации за счет аренды каналов.

Рис.3.. Архитектура с использованием оператора связи.

Второй способ дешевле, проще и эффективнее для ТКС специального назначения. Первый способ предполагает построения физической инфраструктуры опорной сети связи. Второй способ предполагает использования существующих физических сетей связи посредством собственных точек перехода в эти сети связи. Третий способ используется в том случае, когда невозможно спроектировать ТС при помощи арендованных каналов связи или когда их использование неэффективно.

Для ИАС МДО РВ централизованный принцип организации телекоммуникационной среды взаимодействия при помощи каналов “точка-точка” является приоритетным [6], так как такой принцип предполагает исключение промежуточных узлов трансформации трафика, уменьшение задержек, уменьшение стоимости системы, простоту в управлении, простоту в наращивании системы, легкость в модернизации, легкость в переходе к сетям NGN (Next Generation Network) и IN (Intelligent network), легкость в переходе к собственной опорной сети связи.

Многоуровневый иерархический подход к представлению архитектуры ТС ИАС МДО в реальном времени приводит к заключению, что проектирование таких систем состоит из этапов выбора архитектур физического уровня, канального уровня, уровня коммутации, сервисного уровня и интеллектуального уровня [7].

С учетом проведенного анализа [7] , при выборе архитектуры ТС ИАС МДО необходимы следующие решения.

– На физическом уровне использовать архитектуру существующей инфраструктуры связи данной территории.

– На канальном уровне использовать централизованную архитектуру по технологии точка-точка с последней милей.

- На транспортном уровне использовать архитектуру пакетной коммутации.

- На сервисном уровне использовать архитектуру VoIP, VideoIP, dateIP (VoATM, VideoATM, dateATM ).

- На интеллектуальном уровне использовать стандартные и специализированные программные и программно-аппаратные сервисы Real Time

Организация каналов взаимодействия.

Функциональную структуру внешнего взаимодействия определим как взаимосвязь объектов первого и третьего уровня ( рис.4.) ,

Рис. 4. Функциональная структура организации внешнего взаимодействия ТС ИАС МДО.

Общее количество объектов телекоммуникационного взаимодействия (ОТВ)

М₀= М + К;

Входными данными для организация каналов взаимодействия являются требования по: архитектуре, функциональной структуре, количеству объектов взаимодействия, скорости каналов связи; типу местности.

Алгоритм выбора организации каналов взаимодействия состоит из:

- алгоритма процесса выбора способа взаимодействия;

- алгоритма выбора каналов взаимодействия (операторов связи).

В алгоритме процесса выбора способа взаимодействия (рис. 5) приоритетным параметром является дальность до объекта связи, так как современный уровень развития телекоммуникационных технологий позволяет обеспечить полосу канала необходимой пропускной спобности для обеспечения требований к каналам взаимодействия в ТС ИАС МДО. Из видов связи внешние каналы связи проще всего развернуть на основе беспроводной технологии ( экспертная оценка специалистов ).

Входные данные:

I – i- й обьект связи (ОВ), i — 1, М₀;

М₀– количество объектов связи (ОВ). Общее количество ОВ (рис.3) М₀=М+К;

D₀(I) – дальность до объекта;

Рис. 5. Алгоритм процесса выбора способа взаимодействия.

На частоте 2,4 Ггц. гарантированная зона покрытия радиосвязи 30 км. Этот параметр, заложен в основу алгоритма процесса выбора способа взаимодействия

Так как процесс формализации для всех видов связи достаточно сложен и состоит из множества подзадач, мы определяем класс родов и типов связи которые покрывают наши входные данные по территориальному расположению (воздух, земля, море) ОТВ, с учетом пропускных способностей каналов [7]. На рис. 6 представлен алгоритм выбора rанналов взаимодействия (операторов связи) для организации наложенных каналов связи проектируемой ТС ИАС.

Входные данные:

I – i- й обьект связи (ОВ), i — 1, М₀;

М₀– количество объектов связи (ОВ);

T₀ (I) – тип объекта связи;

V₀ (I) – скорость канала связи; \

TM₀ (I) – тип местности.

Рис. 6. Алгоритм выбора каналов взаимодействия

Алгоритм выбора каналов связи определяет общее количество каналов системы и тип канала связи ТК(I) в зависимости от дальности и расположения ОТВ. Он формирует входную информацию для алгоритмов выбора протоколов информационного взаимодействия. Входными данными для следующего алгоритма является

TK(I)= K,

K = 1,2,3, где значение соответствует:

- 1 - проводному оператору связи (channel Channel),

- 2 – оператору беспроводной радиосвязи (channel Wireless Channel),

- 3 – оператору беспроводной спутниковой связи(channel Channel/Sat);

I – соответствует количеству каналов.

Выбор протоколов информационного взаимодействия.

Процедура выбора протоколов взаимодействия представлена алгоритмами выбора протоколов согласно уровням модели OSI, обеспечивающих телекоммуникационное взаимодействие:

- алгоритмом выбора протоколов канального уровня ;

- алгоритмом выбора протоколов на уровне маршрутизации ;

- алгоритмом выбора протоколов сервисного уровня.

Рис 7. Алгоритм выбора протоколов канального уровня

Алгоритм выбора протоколов канального уровня ( рис.7 ) зависит от типа канала ТК(I). Он определяет протоколы данного уровня и определяет количество каналов данного типа для методики выбора оборудования и метода организации объекта 2-го уровня ПТТТ1 – уровень доступа.

Рис. 8. Алгоритм выбора протоколов маршрутизации;

Для алгоритма выбора протоколов на уровне маршрутизации ( рис. 8) входными данными является тип информации TI (I), где I = (0, КК),который формируется из таблицы потоков информационного взаимодействия для типовых объектов взаимодействия.

TI (I) =	0	-	внутренние данные ЛВС
	1	-	внешние данные (координаты)
	2	-	внешние данные + голос
	3	-	внешние данные + голос + видео

где I = (0, КК), КК – количество объектов маршрутизации

Выходными данными алгоритма является “признак уровня протокола” - PRP. Этот признак предъявляет требования к объекту 2-го уровня ПТТМ2 ( уровень маршрутизации).

Рис. 9. Алгоритм выбора протоколов сервисного уровня

Для алгоритма выбора протоколов обеспечения сервисного уровня( рис. 9. ) входными данными являются тип сервиса TS (I), где I = (0, К

TS (I) =	0	-	сервис Real Time не требуется
	1	-	сервис координатной информации
	2	-	сервис голосовой информации
	3	-	сервис видео информации
	4	-	сервис координатной + голосовой информации
	5	-	сервис координатной + видео информации
	6	-	сервис координатной + голосовой + видео информации

КК – количество объектов

PRS – признак сервиса

Данный алгоритм определяет признак уровня сервиса РВ - PRS, который определяет конфигурацию оборудования ТС ИАС МДО РВ.

Организация программно-аппаратной платформы.

Организация программно-аппаратной платформы включает: определение состава оборудования и программных средств, требования к аппаратно-программной платформе, выбор оборудования магистральных каналов связи, выбор оборудования выделенных каналов связи, выбор маршрутизаторов и коммутаторов, выбор IOS (от англ. Internetwork Operating System), выбор программно-аппаратного решения для подсистемы оперативно командной связи (ОКС) и др. [1].

Настройка и тестирование оборудования.

Настройка и тестирование оборудования включает : настройку каналообразующего оборудования, настройку маршрутизаторов и коммутаторов, конфигурирование программного обеспечения Cisco IOS, тестирование сети, тестирование маршрутизаторов и коммутаторов, тестирование серверов и автоматизированных рабочих мест и др. [1].

Организация и настройка системы безопасности.

Настройка безопасности включает: списки управления доступом ACL (англ. Access Control List), технологии ААА (от англ. Authentication, Authorization, Accounting), портовую аутентификация 802.1х, установку безопасности паролей, бюджет пользователя root, безопасность NFS (Network File System) . [1].

Организация и настройка системы администрирования.

Организация системы администрирования включает: определение задач системы администрирования, организацию средств администрирования, определение функций администратора сети передачи информации, построение системы мониторинга, определение назначения системы мониторинга, организацию журнализации и др. [1].

Выводы.

Организация сетевого взаимодействия пространственно-распределенных элементов ИАС МДО для решения вопросов обработки информации в РВ является сложным итеративным процессом и требует следующих этапов:

- определение потоков взаимодействия;

- обоснование архитектуры взаимодействия;

- организацию каналов взаимодействия;

- выбор протоколов взаимодействия;

- организацию программно-аппаратной платформы;

- настройку и тестирование оборудования;

- настройку безопасности;

- организацию и настройку системы администрирования.

Литература.

Книга 8. Проектные решения по подсистеме передачи данных (по контракту № M095 UABJ/E022D17K 16.11.2004) Киев-2008. Институт проблем регистрации информации НАН Украины.
Книга 2. Общие проектне решения по Системе и ЦОИ. (по контракту № M095 UABJ/E022D17K 16.11.2004) Киев-2006. Институт проблем регистрации информации НАН Украины.
Книга 6 Общие проектне решения по программно-техническому комплексу ЦОИ. (по контракту № M095 UABJ/E022D17K 16.11.2004) Киев-2006. Институт проблем регистрации информации НАН Украины.
М.Месарович, Д. Мако, И. Такахара , Теория иерархических многоуровневых систем. Перевод с английского под редакцией И.Ф. Шахнова, Изд. МИТ, Москва 1973 г.
Марк Спортак, Френк Паппас и др.. Компьютерные сети и сетевые технологии. Москва 2005.
Иан Соммервилл. Инженерия программного обеспечения. Москва 2005.
Машталер И.Я. Выбор архитектуры телекоммуникационной среды информационно-аналитической системы мониторинга динамических объектов. “Наукові записки Українського науково-дослідного інституту зв’язку”, 1(9), Киев, 2009.,стр.86-96.

Автор: Машталер Ирина Ярославовна, г. Киев, Институт проблем регистрации информации НАН Украины, научный сотрудник научно-технического отдела 201, руководитель группы.