Метод и многоканальное устройство отказоустойчивой коммутации и кодирования сетевых потоков данных

Актуальность темы

Успешное развитие корпораций и государственных структур напрямую связано с возможностью непрерывного оперативного информационного взаимодействия отдельных подразделений. Указанное взаимодействие осуществляется с использованием настраиваемых средств вычислительной техники и соответствующих сетевых технологий и должно быть защищено от вмешательства третьих лиц и сторонних организаций. Проблема обеспечения своевременного взаимодействия между отдельными подразделениями и подсетями, которые в общем случае должны иметь локализованный конфиденциальный трафик даже в рамках единой корпоративной сети, подразумевает построение реконфигурируемой масштабируемой коммутационной среды и аппаратное обеспечение многоуровневой системы конфиденциального обмена. С целыо поддержки процессов защиты сетевых каналов применяются различные алгоритмы и вычислительные устройства, обеспечивающие кодирование передаваемых сетевых потоков.

Существующие устройства кодирования потоков позволяют принимать входящий поток и производить его обработку в соответствии с заданным алгоритмом преобразования. Такие устройства, как правило, реализуются в виде плат расширения, подключаемых к слотам материнской платы ЭВМ (Crypton 3−9, Accord-SB, AncNet) и в виде отдельного блока, интегрируемого в состав вычислительной сети (ОАЗИС-Компакт, «ZP-шифратор», «Crypton IP Mobile»). Некоторые устройства встраиваются в разрыв интерфейсной шины накопителя данных, что дает возможность защищенного хранения данных на соответствующем носителе (Crypton-SATA, Crypton-IDE, Crypton-USB). Известные аналогичные решения зарубежных производителей (Cisco, Siemens) позволяют обеспечить высокую надежность обработки сетевых потоков и рассчитаны на большое число каналов. Их недостатком является весьма высокая стоимость, что делает их недоступными для многих организаций.

Основным недостатком известных решений является недостаточная надежность устройства кодирования, что не позволяет обеспечить непрерывность информационного взаимодействия (при отказе устройства или отдельных его элементов необходима замена всего устройства с прерыванием сетевого канала). Еще один недостаток связан со сложностью интеграции таких устройств в единую структуру, что вызывает необходимость включения дополнительных устройств и концентраторов (следствием этого является дальнейшее снижение надежности и повышение аппаратной сложности получаемого комплексного решения). Существует необходимость разработки устройств кодирования сетевых потоков в части повышения их надежности при одновременном обеспечении наращиваемости по числу входов. Подобные надежные мпоговходовые коммутационно-вычислительные устройства позволят обеспечить несколько параллельно работающих защищенных виртуальных каналов непрерывного сетевого взаимодействия между группой источников и приемников. Данная потребность служит основой для постановки актуальной научно-технической задачи, решаемой в рамках данной работы, заключающейся в разработке метода и структурно-функциональных схем блочного кодирования сетевых потоков с реконфигурируемым коммутатором входных каналов, обеспечивающих повышение надежности коммутационно-вычислительных устройств обработки потока данных, передающегося на канальном уровне между абонентами вычислительной сети при обеспечении возможности наращивания их числа.

Объект исследования: коммутационно-вычислительные устройства кодирования потоков данных, передаваемых в составе корпоративной вычислительной сети.

Предмет исследования: алгоритмы работы, структурные и функциональные схемы устройств кодирования сетевых потоков данных.

Диссертационная работа выполнена в рамках совместных НИР ОХП ОКБ «Авиаавтоматика» Курского ОАО «Прибор» и ГОУ ВПО КурскГТУ, а также в соответствии с планом НИР ГОУ ВПО КурскГТУ, а по единому заказнаряду Министерства образования и науки РФ в 2005;2009 годах, утвержденному начальником управления планирования и финансирования научных исследований.

Цель диссертации: повышение надежности коммутационно-вычислительных устройств обработки сетевого потока данных при одновременном обеспечении их наращиваемости по числу входов па основе разработки отказоустойчивых схем блочного кодирования сетевых потоков и применения однородного реконфигурируемого коммутатора входных каналов.

Поставленная научно-техническая задача декомпозируется на следующие частные задачи исследований:

1. Анализ существующих алгоритмов и устройств кодирования сетевых потоков данных.

2. Разработка метода и алгоритма кодирования сетевого потока, позволяющих повысить надежность его обработки.

3. Синтез структурно-функциональных схем отказоустойчивого наращиваемого устройства обработки сетевых потоков.

4. Экспериментальная оценка характеристик разработанного устройства на имитационной модели, обеспечивающей возможность верификации и исследования его надежности при различных потоках отказов и сравнительная оценка надежности, наращиваемости и аппаратной сложности созданного устройства.

Научная новизна результатов исследований:

1. Создан метод кодирования сетевого потока данных, отличающийся предварительной генерацией таблицы переходов, вычислением распределенного маркера синхронизации по настроечным параметрам и позволяющий, уменьшить потери информационных бит и повысить надежность передачи битового потока.

2. — Разработана структурно-функциональная организация устройства кодирования сетевых потоков, реализующая созданный метод кодирования и отличающаяся применением реконфигурируемого наращиваемого трёхмерного коммутатора входных каналов, что позволяет обеспечить логическое изолирование отказавших коммутационных элементов во входном тракте устройства и сохранить возможность информационного обмена для всех подключенных абонентов в реальном масштабе времени.

3. Выведены логические выражения, описывающие процесс реконфигурации трёхмерного коммутатора входных каналов при наличии резервной плоскости элементов с учётом условий запрета на пересечение маршрутов перестройки, позволяющие повысить минимальное число локальных отказов, приводящее к фатальному отказу коммутатора.

4. Синтезирована имитационная модель разработанного устройства на языке УНОЬ, новизна которой заключается в наличии элементов для моделирования отказов в схеме устройства и позволяющая оценить его коэффициент готовности при различных вариантах отказов.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается корректным и обоснованным применением положений и методов теории проектирования устройств ЭВМ, математической логики и теории алгоритмов, теории множеств и графов, теории вероятностей, а также подтверждается имитационным моделированием с использованием зарегистрированных в установленном порядке программных средств.

Практическая ценность результатов исследований заключается в том, что разработанная структурно-функциональная организация доведена до уровня функциональных схем, позволяющих создавать специализированные устройства обработки двоичных информационных потоков, обладающие повышенной устойчивостью к отказам отдельных элементов (коммутирующий модуль, входной порт, внутренний канал связи) и влиянию внешних факторов (шумы, несанкционированное воздействие).

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Метод и алгоритм кодирования сетевого потока данных, отличающийся предварительной генерацией активной таблицы переходов, вычислении распределенного маркера синхронизации на основе настроечных параметров, позволяющие уменьшить потери информационных бит под влиянием внешних факторов.

2. Структурно-функциональная организация устройства кодирования сетевых потоков данных, включающая реконфигурируемый наращиваемый коммутатор входных каналов и позволяющая достичь повышения устойчивости к отказам коммутационных элементов во входном тракте устройства.

3. Логические выражения, описывающие процесс реконфигурации коммутатора входных каналов с резервной плоскостью элементов, учитывающие условия запрета на пересечение маршрутов перестройки и позволяющие повысить минимальное число локальных отказов, ведущее к фатальному отказу коммутатора.

4. Имитационная модель схем устройства на языке УНИЬ, включающая элементы для моделирования отказов в схеме устройства и позволяющая оценить его надежность при различных потоках отказов коммутирующих элементов и внутренних каналов связи.

Практическое использование результатов работы.

Результаты диссертационной работы внедрены в ООО «Микрокод» при создании защищенного программно-аппаратного комплекса, обеспечивающего конфиденциальное взаимодействие групп абонентов, а также используются в обособленном подразделении Верхне-Донского Управления Ростехнадзора, расположенного на территории Курской области и включающего удаленный Железногорский отдел, для организации и разграничения доступа к сведениям, передающихся между абонентами по локальной и территориально распределенной вычислительной сети. Научно-методические результаты диссертации используются в учебном процессе КурскГТУ на кафедре комплексной защиты информационных систем в рамках дисциплин «Программно-аппаратная защита информации», «Защита информационных процессов в компьютерных системах», «Технические средства защиты информации».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на VI Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании управлении, экономики и технике» (г. Пенза, 2006 г.), Межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов в области научных исследований «Молодёжь и XXI век» (Курск, 2008), I Международной научно-технической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (г. Курск, 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы. Диагностика-2009» (г. Курск, 2009 г.), а также на научных семинарах кафедр комплексной защиты информационных систем и вычислительной техиики КурскГТУ в период с 2005 по 2009 год.

Публикации по теме диссертации, Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 10 работах, среди которых имеется 1 статья в научном издании, входящем в перечень ВАК Минобрнауки РФ, и 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту научные результаты получены соискателем лично. В работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве, личный вклад соискателя сводится к следующему: в [8,48] предложен алгоритм, позволяющий на основе настроечных параметров сгенерировать ключ и активную таблицу переходов состояний блоковв [25] разработаны схемные реализации алгоритма кодированияв [84, 94, 102] разработана архитектура программных средств и реализован ряд ключевых программных модулей.

4.6 ВЫВОДЫ.

1. Синтезирована имитационная модель коммутатора входных каналов разработанного устройства на языке УЫЗЬ, включающая элементы для моделирования отказов в схеме устройства и позволяющая исследовать его надежность при различных потоках отказов коммутирующих элементов и внутренних каналов связи.

2. Получены зависимости коэффициента готовности разработанного устройства от интенсивности потоков отказов, показывающие повышение указанного коэффициента с 0.95 до 0.99, что позволяет считать взаимодействие абонентов практически непрерывным.

3. Рассчитаны показатели наращиваемости и аппаратной сложности созданного устройства, демонстрирующие возможность подключения к устройству до 64 абонентов при снижении коэффициента готовности не более чем на 0.03 и при аппаратной избыточности не более 10%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена научно-техническая задача разработки отказоустойчивых схем блочного кодирования сетевых потоков данных с реконфигурируемым коммутатором входных каналов, обеспечивающих повышение надежности коммутационно-вычислительных устройств кодирования сетевого потока при одновременном обеспечении их наращиваемости по числу входов.

Основными результатами диссертации является следующее:

1. Разработан метод и алгоритм кодирования сетевого потока данных, новизна которых заключается в предварительной генерации активной таблицы переходов по правилам модулярной арифметики, вычислении распределенного маркера синхронизации на основе настроечных параметров, позволяющие уменьшить потери информационных бит под влиянием внешних факторов.

2. Предложена структурно-функциональная организация устройства обработки сетевых потоков, включающая реконфигурируемый наращиваемый коммутатор входных каналов и позволяющая, тем самым, достичь повышения отказоустойчивости коммутационных элементов во входном тракте устройства.

3. Получены логические выражения, описывающие процесс реконфигурации трёхмерного коммутатора входных каналов с резервной плоскостью элементов, учитывающие условия запрета на пересечение маршрутов перестройки и позволяющие повысить минимальное число локальных отказов, ведущее к фатальному отказу коммутатора.

4. Синтезирована имитационная модель устройства на языке УНИЬ, включающая элементы для моделирования отказов в схеме устройства и позволяющая исследовать его надежность при различных потоках отказов коммутирующих элементов и внутренних каналов связи.

5. Получены зависимости коэффициента готовности разработанного устройства от интенсивности потоков отказов, показывающие повышение указанного коэффициента с 0.95 до 0.99, что позволяет считать взаимодействие абонентов практически непрерывным.

6. Рассчитаны показатели наращиваемости и аппаратной сложности созданного устройства, демонстрирующие возможность подключения к устройству до 64 абонентов при снижении коэффициента готовности не более чем на 0.03 и при аппаратной избыточности не более 10%. Результаты диссертационного исследования могут быть использованы при проектировании высокоскоростных отказоустойчивых логических устройств блочной обработки непрерывного потока данных, устройств автоматического управления повышенной надёжности, а также отказоустойчивых аппаратных систем кодирования двоичного информационного потока в реальном времени.