ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 685.518 © Я.С. Коровин, А.И. Каляев, 2013
Методы и средства повышения производительности систем передачи данных в корпоративных сетях нефтегазовых компаний1
Я.С. Коровин, к.т.н. А.И. Каляев, к.т.н,
(ООО «Нейросетевые технологии»)
Адреса для связи: korovin_yakov@mail.ru,
anatoly.kaliaev@gmail.com
Ключевые слова: вычислительные сети, программно-конфигурируемые сети, системы управления, децентрализованные системы, мультиагентные системы.
Methods and algorithms of improving the efficiency of data transmission systems in oil corporations' enterprise networks
Ya.S. Korovin, A.I. Kalyaev (Nejrosetevye Tekhnologii LLC, RF, Taganrog)
E-mail: korovin_yakov@mail.ru, anatoly.kaliaev@gmail.com
Key words: computing networks, software defined networks (SDN), control systems, decentralized systems, mutliagent systems.
The paper describes the issue of reducing the load and increasing of efficiency of enterprise computer networks of Russian oil corporations by using software defined networks (SDN) technology based on the principles of multi-agent interaction. In the paper, we introduce the new methods and algorithms allowing to improve the reliability and efficiency of operations made on the same available resources (without the need to purchase supercomputers).
В условиях постоянно увеличивающейся номенклатуры нефтепромыслового оборудования и возрастающей сложности технологических процессов в добыче нефти особую актуальность приобретает проблема обеспечения скоростной обработки больших объемов слабо структурированной информации за время, адекватное принятию соответствующего управленческого решения. Такая ситуация приводит к возникновению так называемого «информационного вала» [1, 2], который обусловливает повышенную, иногда чрезмерную, нагрузку на корпоративные вычислительные и коммуникационные ресурсы компании, занятой добычей и транспортом углеводородного сырья. Для решения этой проблемы возможны два варианта.
1. Покупка и внедрение в эксплуатацию дорогостоящей мощной вычислительной техники с выделенной инфраструктурой типа суперкомпьютеров ЬМе-архитекгуры.
2. Оптимизация протекающих вычислительных и коммуникационных процессов с использованием имеющихся ресурсов без расширения парка вычислительного оборудования и увеличения емкости локальных вычислительных систем.
Наиболее перспективным и экономически оправданным представляется второй вариант, особенно в условиях необходимости снижения себестоимости добываемой продукции вследствие нестабильного уровня цен на углеводороды и значительной выработки запасов нефти и газа. Рассмотрим этот вариант подробнее.
В настоящее время в корпоративных сетях крупных отечественных нефтегазодобывающих корпораций использу-
ется большое число вычислительных средств, для которых имеется множество ограничений по применяемым оборудованию и программному обеспечению. В результате процесс оптимизации таких сетей становится слабо реализуемым, излишне трудоемким и неуниверсальным. В то же время на производительность корпоративных вычислительных систем значительно влияет коммуникационная система. В большинстве случаев она является единой, поэтому централизованная оптимизация коммуникационной системы позволит повысить эффективность работы большого числа различных систем. Основной причиной низкой производительности и относительно невысокой надежности современных корпоративных сетей, в том числе сетей нефтегазовых компаний, является одновременное функционирование в одной аппаратной среде множества различных задач, каждая из которых может постоянно изменять требования к коммуникационной системе, загружать каналы передачи и маршрутизирующее оборудование. Из-за этого сложно заранее определить время прохождения данных через сеть и, следовательно, время решения задач. На данном этапе для решения проблемы взаимопересечения потоков данных разных задач используется виртуализация. Однако из-за несовершенства широко применяемых технологий управления трафиком скорость создания виртуальных сетей и затрачиваемые на это административные ресурсы не позволяют оперативно менять схему корпоративной сети.
В последние годы для ускорения процесса управления потоками данных в вычислительных сетях начинает все активнее применяться подход, основанный на использова-
Работа выполнена при финансовой поддержке г/к 14.514.11.4083, грантов РФФИ 12-08-33105, 13-08-01172.
нии программно-конфигурируемых сетей (ПКС). Основным преимуществом данного подхода является перенос функций управления маршрутизацией с конечного оборудования на выделенный контроллер. Это позволяет централизованно настраивать работу всей сети, в том числе создавать виртуальные сети в одной аппаратной коммуникационной среде. Однако современные средства управления ПКС обладают существенным недостатком: невысокой надежностью системы управления (СУ) ПКС, обусловленной ее централизацией. Если нагрузка на контроллер окажется слишком большой, или произойдет отказ оборудования, то вычислительная сеть станет полностью неработоспособной. Таким образом, основной проблемой, не позволяющей применить ПКС при построении высокопроизводительных корпоративных сетей, является невысокая надежность СУ ПКС.
При создании систем управления, в том числе СУ ПКС, на основе современной элементной базы наилучших показателей по соотношению быстродействие - надежность - стоимость можно получить при использовании сетевой организации и скользящего резервирования. Основное преимущество сетевой организации с точки зрения обеспечения надежности - широкие возможности реконфигурации, основное преимущество скользящего резервирования - универсальность резерва. При этом необходимо учитывать, что могут быть различные варианты организации скользящего резервирования: стандартный на уровне контроллеров и на уровне имеющихся в контроллерах резервов ресурсов.
В существующих СУ ПКС, содержащих один контроллер, процесс виртуализации достаточно очевиден, однако если говорить о децентрализованной системе управления, то возникает ряд проблем, связанных с синхронизацией правил для различных виртуальных подсетей на всех узлах СУ. Для того, чтобы решить проблему синхронизации, предлагается ввести виртуализацию на уровне СУ ПКС: разбить пункты управления (ПУ) системы на несколько независимых подмножеств ПУ, каждое из которых будет ответственно за свою виртуальную сеть. Однако в данном случае возникает вопрос, каким образом организовать подмножества. Если для этого выделить специальный узел, то он станет узким местом системы, и надежность ее работы в целом снизится. Чтобы этого не произошло, предлагается воспользоваться принципами коллективного взаимодействия, точнее мультиагентным подходом к построению управляющей системы. Такой подход предполагает одновременную работу множества независимых агентов, которые в процессе взаимодействия приходят к определенным договоренностям, определяющим в итоге эмергентное поведение системы. В настоящее время принципы мультиагентного взаимодействия успешно применяются при решении множества различных задач [3-5]. Коллективное взаимодействие независимых агентов в рамках системы позволяет достичь глобальную цель системы как совокупность локальных целей каждого агента. Именно это делает мультиагентную систему децентрализованной: каждый из агентов не контролируется извне, однако их группа решает общую задачу [6].
Мультиагентный подход может быть использован при организации децентрализованного диспетчера СУ ПКС. Для этого на каждом ПУ будет запущен специальный программный модуль, который будет контролировать свой ПУ [7]. Тогда задача управления ПКС будет распределена на
множестве независимых взаимодействующих друг с другом программных агентов, что позволит создать независимые сообщества. Каждое из них сможет осуществлять управление своей виртуальной сетью, поддерживать необходимые отказоустойчивость и надежность, а также распределять нагрузку управления на множестве ПУ, из которых будет состоять. Кроме того, подобная схема организации СУ ПКС позволит оперативно реагировать на изменения производительности каждого ПУ, так как агент на ПУ сможет постоянно оценивать свои параметры.
Для более удобного восприятия информации введем ряд определений.
1. Управляющий модуль - программный модуль, осуществляющий управление маршрутизацией в определенной виртуальной сети. Предоставляется администратором виртуальной сети, взаимодействует с контроллером в ходе выработки управляющих сигналов для коммутаторов.
2. Задача - задача управления набором коммутаторов, составляющих определенную виртуальную сеть, которые обслуживаются единым управляющим модулем, т.е. для каждой виртуальной сети в СУ ПКС существует своя задача. Задача должна иметь срок давности, так как ее редактирование в рамках децентрализованной ПКС достаточно сложно (по аналогии с временем «жизни» правила в коммутаторе ПКС).
3. Подзадача - часть задачи СУ ПКС, задача управления конкретным коммутатором.
4. Сообщество - набор ПУ, осуществляющих решение одной задачи, при этом подзадачи распределены по всем ПУ сообщества.
Особенностью предлагаемой схемы организации СУ ПКС является возможность оперативно добавлять новые задачи, а следовательно, и новые виртуальные сети. При этом для решения каждой полученной системой задачи должна быть сформирована виртуальная организация множества агентов - сообщество. В данной статье предлагается под сообществом в дальнейшем понимать коллектив агентов, решающих одну и ту же определенную задачу [8]. При этом состав сообщества может изменяться в процессе решения задачи. Отказы оборудования ПУ, изменение их производительности, приводящие к увеличению времени отклика системы управления выше требуемого, могут вызвать изменение состава сообщества.
Однако подобная мультиагентная организация диспетчера системы накладывает определенные ограничения на взаимодействие пользователей и системы: так как СУ ПКС становится децентрализованной, пользователь не может взаимодействовать с системой через центральный диспетчер, как в классических СУ ПКС, а должен каким-либо образом перед
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.