Методы обеспечения доступности информационных ресурсов в территориально-распределенных автоматизированных системах обработки данных

Актуальность работы. В современных условиях глобализации бизнеса, требующего резкого снижения затрат на выполнение производственных функций, мобильности персонала, возможности доступа к требуемой информации и работы с ней в любой точке мира, повышение эффективности инвестиций в информатизацию организаций и предприятий обеспечивается многими факторами, одним из которых является повышение уровней сохранности и доступности информационных ресурсов (информационных массивов, баз знаний и программных модулей) и эффективное управление ими. В условиях рыночной экономики и развивающейся конкуренции, эффективность корпоративных территориально-распределенных автоматизированных систем обработки данных (ТР АСОД) все более связывается с обеспечением непрерывности поддерживаемых ими бизнес-процессов. При этом автоматизированная система должна обеспечивать определенный уровень сохранности и доступности информационных ресурсов (ИР) при ограничениях на стоимость создания и эксплуатации данной системы.

При увеличении масштабов ТР АСОД, организации доступа к корпоративным информационным ресурсам из сети Интернет, использовании каналов сети Интернет для организации связи между удаленными площадками ТР АСОД, наличии удаленных мобильных пользователей, увеличивается риск разрушения ИР, потери доступа к ИР по причине выхода из строя аппаратного обеспечения и каналов связи. Это приводит к появлению ряда новых угроз для информационной безопасности систем, снижению эффективности поддерживаемых системой производственных процессов. С другой стороны, использование инфраструктуры глобальных сетей, в том числе сети Интернет, создает возможности применения новых и модификации уже известных методов повышения сохранности и доступности информационных массивов, баз знаний и программных модулей. Комплексное решение задач повышения сохранности и доступности ИР в ТР АСОД может быть обеспечено разработкой и широким применением формализованных моделей и прикладных методов анализа и синтеза механизмов повышения катастрофеи отказоустойчивости ТР АСОД, использующих каналы связи глобальной сети Интернет.

Существующие в настоящее время модели и методы в основном ориентированы на локальную оптимизацию отдельных характеристик доступности ИР и поддерживающей инфраструктуры (аппаратного обеспечения, каналов связи и т. д.), а также сохранности ИР и не обеспечивают комплексного, взаимоувязанного решения по оптимизации уровней доступности и сохранности ИР при проектировании ТР АСОД.

В этой связи выбранная тема диссертационной работы является весьма актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка комплекса моделей и методов оптимизации уровней сохранности и доступности информационных ресурсов (ИР) в корпоративных территориально-распределенных автоматизированных системах обработки данных (ТР АСОД), использующих каналы связи сети Интернет. В работе рассматривается класс корпоративных автоматизированных систем, обеспечивающих автоматизацию организационно-экономической деятельности современного предприятия (организации).

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

1. Исследованы особенности построения ТР АСОД (в том числе использующих каналы связи сети Интернет), проведен анализ основных факторов, приводящих к нарушению сохранности и доступности ИР в подобных системах.

2. Проведен анализ существующих методов противодействия нарушению сохранности и доступности ИР в пределах локальных хостов и в локальных сетях.

3. Рассмотрены особенности используемых в настоящее время технологий повышения уровней сохранности и доступности ИР в ТР АСОД, предложены области эффективного применения и проведена доработка существующих методов оптимизации оперативного и восстановительного резервирования с учетом особенностей ТР АСОД, использующих каналы связи сети Интернет.

4. Разработана методика выбора оптимального уровня защиты центра обработки данных от аварий и катастроф на основе метода векторной стратификации.

5. На основе полученных результатов предложена методика комплексной оптимизации уровня сохранности и доступности ИР в ТР АСОД с использованием четырехэтапной оптимизации:

Этап 1 — выбор варианта защиты центра обработки данных от аварий и катастроф на основе метода векторной стратификации;

Этап 2 — выбор оптимальной модели и протокола непротиворечивости при организации репликации между удаленными центрами обработки данных в ТР АСОД;

Этап 3 — выбор оптимальной схемы организации оперативного резервирования в структуре, сформированной на этапах 1 и 2. Этап 4 — выбор оптимальной схемы организации восстановительного резервирования в структуре, сформированной на этапах 1, 2 и 3. Полученные результаты использованы в ходе проектирования ряда корпоративных подсистем информационной безопасности, связанных с резервированием и восстановлением ИР.

Методы исследований. Основные результаты диссертационной работы получены и математически обоснованы с использованием аппарата теории множеств, теории вероятности, теории графов, математического программирования и оптимизации на сетях и графах, теории анализа риска, теории комплексного оценивания многомерных объектов.

Связь диссертации с планами научных работ. Диссертационная работа выполнена в соответствии с исследованиями в рамках проблем РАН 2.4.5 «Сложные технические системы и информационно-управляющие комплексы- 3.3 «Системы автоматизации, математические методы исследования сложных управляющих систем и процессов, САЬ8-технологии», а также Программ № 14,.

15 и № 16 отделения ЭММПУ РАН «Проблемы анализа и синтеза модульных интегрированных технических и социальных систем управления».

Научная новизна. В диссертационной работе впервые разработана комплексная методика оптимизации уровней сохранности и доступности ИР в ТР АСОД, позволяющая создавать экономически обоснованные подсистемы защиты. В результате проведенных научных исследований, анализа современных требований к ТР АСОД впервые были получены следующие результаты: сформулированы требования к созданию отказоустойчивых и катастрофоустойчивых ТР АСОД, обеспечивающих необходимые уровни сохранности и доступности информационных ресурсов для авторизованных пользователей;

— проведен анализ основных факторов и характеристик, определяющих доступность и сохранность информационных ресурсов в ТР АСОД, использующих каналы связи сети Интернет;

— поставлен комплекс задач для оптимизации сохранности и доступности информационных ресурсов в территориально-распределенных автоматизированных системах, построенных с использованием каналов связи сети Интернет;

— проведен анализ используемых в настоящее время методов защиты центров обработки данных от аварий и катастроф, проведена классификация основных схем защиты;

— разработаны модели и схемы резервирования информационных массивов и ГГ-сервисов в территориально-распределенных системах обработки данных;

— предложены методы использования разработанных математических моделей для выбора оптимальной дисциплины обработки запросов в сети ЭВМ, оптимизации использования нескольких центров обработки данных в режиме оперативного резервирования, а также для оптимизации оперативного резервирования узлов локальной сети в пределах одного центра обработки данных;

— разработаны методы расчета вероятностных, временных и стоимостных характеристик для основных схем оперативного резервирования информационных массивов и 1Т-сервисов в ТР АСОД, использующих для передачи данных каналы связи сети Интернет. Получены аналитические выражения для расчета вероятностных и временных характеристик каналов связи, организованных через сеть Интернет;

— исследованы методы восстановительного резервирования, используемые в сетях ЭВМ, получены аналитические выражения для расчета основных вероятностных и временных характеристик восстановительного резервирования при использовании основных стратегий восстановления в сетях ЭВМ с выделенными центрами обработки данных, функционирующих с использованием каналов глобальных сетей связи;

— разработаны модель и методика комплексного оценивания вариантов системы защиты центра обработки данных и выбора наилучшего из них с использованием метода векторной стратификации;

— предложены методы оптимизации функционирования территориально-распределенных автоматизированных систем с использованием моделей и протоколов непротиворечивости;

— разработана методика сравнительного анализа различных протоколов непротиворечивости для ТР АСОД реального времени, построенных на базе территориально-распределенного хранилища данных, использующего для связи отдельных узлов каналы глобальных сетей передачи данных;

— на основе описанных выше результатов разработана методика четырехэтапной комплексной оптимизации уровней сохранности и доступности ИР в ТР АСОД, использующих для передачи данных каналы связи сети Интернет.

Практическая ценность. Предложенные в работе модели и методы формируют научно-методическое обеспечение эффективных средств повышения уровней сохранности и доступности информационных ресурсов в ТР АСОД, использующих каналы сети Интернет. Использование данных средств позволяет уменьшить затраты на разработку необходимых инструментальных средств на 30−50%, снизить затраты на обеспечение заданных уровней сохранности и доступности информационных ресурсов не менее, чем в 3−5 раз. При заданных затратах данные уровни повышаются не менее, чем на 30%.

Разработанные методы, алгоритмы и инструментальные средства могут быть использованы при разработке коммерческих ТР АСОД широкого класса и назначения в научно-исследовательских, проектных организациях и вычислительных центрах, коммерческих организациях, разрабатывающих и внедряющих системы данного класса.

Внедрение. Эффективность разработанных в диссертационный работе моделей и методов подтверждена положительным опытом их использования при проектировании и создании Корпоративной информационной системы управления (КИСУ) ОАО «ФСК ЕЭС». Предложенные модели и методы расчета оптимальной организации оперативного и восстановительного резервирования программных модулей и информационных массивов, а также элементов поддерживающей инфраструктуры были использованы в ходе работ по проектированию ИТ-инфраструктуры ОАО «ФСК ЕЭС», в частности, при создании распределенного вычислительного комплекса (серверного ядра КИСУ), а также при создании системы информационной безопасности КИСУ ОАО «ФСК ЕЭС».

Разработанные в данной диссертационной работе модели и методы также были использованы в ходе разработки проектных решений при создании Комплексной Системы Информационной Безопасности центрального филиала ОАО «Ростелеком». Предлагаемые в работе модели и методы выбора оптимальных схем организации оперативного и восстановительного резервирования информационных ресурсов и ГГ-сервисов использовались при создании подсистемы резервного копирования.

Использование разработанных методов и средств позволило существенно сократить временные и стоимостные затраты на разработку и эксплуатацию подсистем информационной безопасности и повысить качество вырабатываемых проектных решений. Официально подтвержденный экономический эффект от внедрения разработанных моделей, методов и инструментальных средств составил свыше 1 800 ООО (одного миллиона восьмисот тысяч) рублей.

Личный вклад. Все основные положения и результаты, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и опубликованы в трудах следующих конференций: [4], [13], [16], [18], [25], [51], [78], [79], [80]. Результаты работы автор докладывал также на других совещаниях и конференциях.

Публикации. Результаты проведенных автором научных исследований опубликованы в 12 научных трудах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений и содержит 238 страниц машинописного текста, 69 рисунков, 18 таблиц, а также список литературы (80 наименований).

Результаты исследования стратегий резервирования представлены в табл. 2.1.1.

Заключение

.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. На основе детального анализа возможностей структур глобальной сети Интернет разработаны модели, методы и инструментальные средства повышения уровней сохранности и доступности информационных ресурсов в территориально-распределенных автоматизированных системах обработки данных.

2. Исследованы особенности создания отказоустойчивых и катастрофоустойчивых информационных систем, обеспечивающих требуемый уровень доступности для авторизованных пользователей. Проведен анализ основных методов обеспечения отказоустойчивости и защиты от катастроф, используемых в настоящее время. Обоснована необходимость организации резервирования центров обработки данных. Проведен анализ основных факторов и характеристик, определяющих доступность информационной системы для авторизованных пользователей.

3. Проведен анализ основных характеристик каналов связи при передаче данных с использованием сети Интернет. Для оценки качества таких каналов получены аналитические выражения для трех его основных характеристик: доступность канала связи (т.е. вероятность пересылки требуемого объема данных за максимально допустимое время), максимальная производительность при передаче запросов/ответов заданного типа, среднее время реакции. Показано влияние на доступность каналов связи требований по обеспечению целостности и конфиденциальности информации, передаваемой по открытым каналам глобальных сетей связи.

4. При разработке методов и средств создания катастрофоустойчивых территориально-распределенных систем обработки данных с использованием глобальных сетей связи исследовано влияние территориальной распределенности средств хранения и обработки данных на возможности выбора стратегий и методов защиты от катастроф. Выделены и детально исследованы типовые схемы защиты центров обработки данных от аварий и катастроф и разработаны рекомендации по их использованию в конкретных условиях.

5. Разработаны модели и схемы резервирования информационных массивов и ГГ-сервисов в территориально-распределенных системах обработки данных. Предложены методы использования разработанных математических моделей для выбора оптимальной дисциплины обработки запросов в сети ЭВМ, оптимизации использования нескольких центров обработки данных в режиме оперативного резервирования (т.е. синхронной репликации информационных массивов между центрами обработки данных и автоматического переключения клиентских приложений на резервную площадку в случае выхода из строя основной), а также для оптимизации оперативного резервирования узлов локальной сети в пределах одного центра обработки данных. Разработаны методы расчета вероятностных, временных и стоимостных характеристик для основных схем оперативного резервирования информационных массивов и ГГ-сервисов. Получены аналитические выражения для расчета вероятностных и временных характеристик каналов связи, организованных через сеть Интернет.

6. Рассмотрены возможности использования восстановительного резерва для воссоздания основного массива и его оперативного резерва в случае их разрушения. Показано, что во многих случаях применение восстановительного резервирования является единственным способом сохранения работоспособности системы обработки данных. Показано также, что в случае достаточно больших допустимых значений КРО и КТО на случай выхода из строя всего Центра обработки данных (ЦОД) можно предусмотреть использование только восстановительного резервирования, т.к. его организация намного дешевле организации оперативного резервирования. Получены аналитические выражения для расчета основных вероятностных и временных характеристик восстановительного резервирования при использовании основных стратегий восстановления в сетях ЭВМ с выделенными центрами обработки данных, функционирующих с использованием каналов глобальных сетей связи.

7. Разработаны модели и методы выбора оптимальных систем защиты центров обработки данных с использованием предложенной методики комплексного оценивания объектов и метода векторной стратификации. Предложены методы оптимизации функционирования территориально-распределенных автоматизированных систем с использованием моделей и протоколов непротиворечивости. Разработана методика сравнительного анализа различных протоколов непротиворечивости для систем обработки данных (СОД) реального времени, построенных на базе территориально-распределенного хранилища данных, использующего для связи отдельных узлов каналы глобальных сетей передачи данных.

8. Предложенные в диссертационной работе модели и методы использованы при разработке и эксплуатации ряда подсистем территориально-распределенной корпоративной информационной автоматизированной системы управления (КИСУ) ОАО «ФСК ЕЭС». Полученный общий экономический эффект составляет более 1 000 000 рублей.