Материал: Система поддержки принятия инвестиционных решений малого предприятия. Баркалов С.А., Морозов В.П

Резервирование NAS позволяет совместно использовать накопитель на магнитной ленте для резервного копирования данных нескольких серверов, что приводит к снижению общих затрат. Данному резервированию свойственны некоторые недостатки. Операция резервного копирования отражается на пропускной способности локальной сети, что зачастую требует сегментации LAN для перенаправления потоков резервного копирования в отдельный сетевой сегмент. Время работы узлов увеличивается. Другими словами, возрастает время, в течение которого серверы должны быть доступны для обслуживания пользовательских запросов и транзакций. Кроме того, увеличивается объем данных, хранящихся на сервере, что требует большего времени на резервирование этих данных. Учитывая актуальность описанных проблем, обеспечение эффективности резервного копирования становится единственным критерием при проектировании сетей и определении точного количества необходимых устройств резервирования [81].

Резервирование SAN основано та том, что сеть хранения данных может обеспечить достаточную пропускную способность между любыми двумя устройствами и в зависимости от топологии способна предоставить одновременную связь с малыми задержками между несколькими парами устройств. С другой стороны, использование топологии кольца Fibre Channel с количеством устройств больше 30 не дает возможности создавать несколько соединений с высокой пропускной способностью и малыми задержками, так как общая пропускная способность кольца будет совместно разделена между всеми подключенными устройствами. Топология резервного копирования SAN имеет ряд преимуществ. Накопитель на магнитной ленте может находиться довольно далеко от сервера, данные которого резервируются. Такие накопители обычно оснащены интерфейсом SCSI, хотя в последнее время всё чаще появляются накопители с интерфейсом Fibre Channel. Это означает, что их можно подключать только к одной шине SCSI, в результате чего усложняется совместное использование накопителя несколькими серверами. Сети хранения данных на основе Fibre Channel благодаря поддержке различных устройств позволяют успешно решать проблемы совместного использования. Однако при этом все равно требуется метод, обеспечивающий корректный доступ к накопителю на магнитной ленте с использованием соответствующих разрешений. Примеры подобных методов представлены ниже. Метод зонирования позволяет в определенный момент времени получить доступ к накопителю на магнитной ленте одному серверу. Проблема заключается в обеспечении соответствия серверов требованиям зонирования. Кроме того, необходимо обеспечить корректное использование сменщика лент или накопителя с поддержкой нескольких кассет. Следующий метод — использование таких команд интерфейса SCSI, как Reserve и Release. Метод подключения накопителя на магнитной ленте к серверу позволяет получить совместный доступ к устройству посредством специального программного обеспечения сервера. Совместное использование накопителя на магнитной ленте является весьма привлекательным решением, поскольку накопители — довольно дорогие устройства. К описанным накопителям относится, например, устройство Tivoli от компании IBM. Технология резервного копирования без локальной сети получила свое название потому, что передача данных выполняется за пределами локальной сети средствами SAN. Это снижает нагрузку на локальную сеть, благодаря чему приложения не страдают от снижения пропускной способности сети при резервировании данных. Резервное копирование без локальной сети позволяет более эффективно использовать ресурсы с помощью совместного использования накопителей на магнитной ленте. Резервное копирование и восстановление данных без локальной сети более устойчиво к ошибкам, поскольку резервирование может проводиться несколькими устройствами одновременно, если одно устройство отказало в работе. Аналогичным образом несколько устройств могут использоваться при восстановлении данных, что позволяет эффективнее планировать использование ресурсов. Наконец, операции резервного копирования и восстановления завершаются значительно быстрее, так как сети хранения данных обеспечивают более высокую скорость передачи данных.Резервирование, не зависящее от сервера, иногда называют резервным копированием без сервера или даже сторонним копированием. Оно представляет собой резервирование, не зависящее от локальной сети, что избавляет от необходимости перемещать данные с определенного узла. Идея такого способа резервного копирования состоит в применении команды SCSI Extended Сору. В основе резервного копирования, не зависящего от сервера, лежит инициатива ассоциации SNIA, которая была реализована в командах SCSI Extended Сору. В стандарте SCSI уже описывалась поддержка команд копирования, однако ранее для использования команд требовалось подключение всех устройств SCSI к одной шине. Команда Extended Сору добавляет такие дополнительные возможности, как использование источника и пункта назначения данных через различные шины SCSI. При этом в полной мере сохраняется адресация, поддерживаемая синтаксисом команды. В резервном копировании, не зависящем от сервера, сервер резервирования может обрабатывать другие запросы, пока данные копируются с помощью агента перемещения данных. Данные переносятся непосредственно от источника данных в точку назначения, а именно в резервный носитель (вместо копирования из источника на сервер резервного копирования с последующим переносом на резервный носитель) [81].

4.7.3. Реализация резервного копирования данных

Структурная схема резервирования данных в АРМ представлена на рис. 4.9.

В техническом исполнении резервное копирование реализовано на базе единого сервера под управлением операционной системы Windows Server 2003. В состав соответствующего модуля входят следующие процедуры: задания параметров резервирования; резервирования DAS; теневого копирования; зеркалирования; виртуализации хранилища. Резервное хранилище включает 4 жестких магнитных диска емкостью 500 ГГб каждый. На схеме оно показано в роли источника резервируемых данных.

В рамках процедуры задания параметров резервирования системный администратор вводит значения требуемых параметров резервирования, таких как:

- количество месячных резервных копий;

- количество еженедельных резервных копий;

- количество ежедневных резервных копий;

- наиболее целесообразный временной интервал резервирования данных;

- частота формирования теневых копий;

- размер места, отведенного для теневых копий.

Процедура резервирования DAS (direct-attached-storage) используется для реализации соответствующего типа резервирования. Выбор данного типа обусловлен его простотой реализации и относительно невысокой стоимостью. Поскольку резервное хранилище реализовано на жестких магнитных дисках, а не на накопителях на магнитных лентах, данный тип резервного копирования оказался практически лишенным недостатков.

Процедура теневого копирования реализует получение так называемых «Теневых копий». Системный администратор включает и настраивает службу Volume Shadow Copy, входящую в состав используемой операционной системы Windows Server 2003. Чтобы разрешить на сервере теневое копирование, вызывается окно свойств тома, осуществляется переход на вкладку «Теневые копии (Shadow Copies)», выбирается том и активизируется опция «Включить (Enable)». В результате пользователь имеет возможность доступа к различным версиям документа в соответствии с привязкой к определенному моменту времени. Само теневое копирование производится «на лету», независимо от того, открыт файл или нет. В этом режиме Windows Server 2003 копирует все файлы в общих папках и помечает их атрибутами с текущей датой и временем. Пока разрешено теневое копирование тома, Windows Server 2003 будет ежедневно создавать по две копии файлов. Этот процесс продолжится до исчерпания на диске места, отведенного под теневые копии. Вот почему в процедуре задания параметров резервирования важно настроить частоту копирования и размер места, отведенного для теневых копий. Теневое копирование томов позволяет создавать библиотеки версий файлов, тем самым обеспечивая доступ к сохраненным версиям удаленных или поврежденных файлов, что избавляет системных администраторов от одной из наиболее обременительных задач — восстановления одиночных файлов, ошибочно удаленных пользователями.

Для обеспечения надежности и восстановления после сбоев данные хранятся в различных местах и постоянно обновляются, благодаря чему изменение в одной реплике данных отражается и на других репликах. Именно эта идея лежит в основе схем зеркального отражения и репликации. Зеркалирование (mirroring) – технология, обеспечивающая копирование данных с одного носителя на другой в реальном времени. Она реализована в процедуре зеркалирования и обеспечивает систему хранения с резервированием всех данных. Технология зеркалирования тесно связана с формированием массивов RAID. Аббревиатура RAID расшифровывается как Redundant Array of Independent Disks — избыточный массив независимых дисков. Практически для всех реализаций массивов RAID общей является идея чередования (striping). Чередование состоит из определения базовой единицы ввода-вывода (обычно она имеет размер от 512 байт до 4 или 8 Мбайт) и метода физического размещения этих единиц на различных дисках. Таким образом, формируются логические блоки для кластеров более высокого уровня. Первая единица может находиться на диске 1, вторая — на диске 2 и т. д [81]. Реализация массивов RAID может быть аппаратной и программной. Использована аппаратная реализация массива RAID. Аппаратный RAID – устройство RAID, созданное и поддерживаемое на аппаратном уровне. Для операционной системы такое устройство выглядит как один физический жесткий диск – отдельные диски, составляющие данное устройство, системе невидны. Наиболее удобное, надежное и относительно не дешевое решение. Тем не менее данные затраты окупятся, поскольку позволят решить основные проблемы программной реализации массива RAID, в частности:

- вычисление четности и других данных, необходимых для работы массива, требует значительных затрат времени центрального процессора;

- для каждой операции записи по шине ввода-вывода передается две операции записи, одна для данных, вторая для четности;

- при использовании программных массивов RAID два уровня абстракции могут значительно повысить сложность и накладные расходы. Во-первых, файловая система добавляет уровень абстракции, осуществляя преобразование данных файлового ввода-вывода в данные блочного ввод-вывода на уровне тома. Во-вторых, диспетчер тома (внедряющий программный массив RAID) добавляет еще один уровень абстракции, выполняя преобразование блоков тома в дисковые блоки. В контексте распределенной файловой системы (DFS) это означает необходимость получения двухуровневых блокировок — физических или виртуальных (т.е. файл, открытый в эксклюзивном режиме, может обрабатываться как виртуально заблокированный). Последнее имело принципиальное значение для реализации виртуализации хранилища.

Процедура виртуализации хранилища обеспечивает предоставление единого интерфейса для управления коммутаторами связной архитектуры. Данный интерфейс не зависит от производителя коммутатора, его модели и возможностей. Последовательность действий системного администратора при проведении резервного копирования заключается в следующем:

• создание тома (может потребоваться управление дисками или массивами RAID);

• обеспечение доступности тома для механизма создания моментальных снимков (может потребоваться перенастройка зонирования);

• создание моментального снимка;

• том с моментальным снимком делается доступным для сервера резервного копирования.

• проведение резервного копирования;

• возвращение снимка в пул свободных ресурсов хранилища, для чего может также потребоваться дополнительная настройка коммутатора.

Обычно все происходит таким образом: администратор хранилища выполняет часть действий вручную, запускает программное обеспечение, выполняет еще несколько ручных операций, запускает другое программное обеспечение и т.д.

Процедура виртуализации хранилища позволяет полностью автоматизировать эти задачи.

Достаточно значимое место в работе АРМ занимает подсистема нейросетевого прогнозирования временных рядов. Центральное место в данной подсистеме занимают ИНС. Ввиду того, что на сегодняшний день ИНС встречается великое множество, необходима их классификация.

4.8. Типизация искусственных нейронных сетей

Существующие классификационные схемы НС различаются классифицирующими признаками [4, 26, 59, 65, 121]. При этом классификация, предложенная в одних источниках [4, 26, 59], не учитывает ряд классов, представленных в других [65, 121] и наоборот. Авторами разработана интегральная классификация НС, базирующаяся на множестве существующих классов и дополненная множеством новых классов. В схематичном виде она представлена на рис. 4.10.

В рамках данной классификации выделены 10 классифицирующих признаков ИНС:

- вид топологии;

- принцип распространения сигнала;

- степень связанности нейронов;

Рис. 4.10. Классификация нейронных сетей

- особенности обратного распространения сигнала;

- топология обратной связи;

- число взаимосвязей нейрона;

- степень однородности функций активации;

- вид сигнала;

- вид изменения состояния нейрона;

- способ использования.

С точки зрения топологии выделяются три основных типа нейронных сетей [65]: полносвязные (рис. 4.11, а); многослойные или слоистые (рис. 4.11, б); слабосвязные (с локальными связями) (рис. 4.11, в).

В полносвязных нейронных сетях каждый нейрон передает свой выходной сигнал остальным нейронам, в том числе и самому себе.

В многослойных нейронных сетях нейроны объединяются в слои. Слой содержит совокупность нейронов с едиными входными сигналами. Число нейронов в слое может быть любым и не зависит от количества нейронов в других слоях.

В слабосвязанных нейронных сетях нейроны располагаются в узлах прямоугольной или гексагональной решетки. Каждый нейрон связан с четырьмя (окрестность фон Неймана), шестью (окрестность Голея) или восемью (окрестность Мура) своими ближайшими соседями [116].

Авторами выделен такой классифицирующий признак, как принцип распространения сигнала. В соответствии с ним ИНС разделяются - на монотонные; прямые; перекрестные; латеральные; обратные.

В монотонной ИНС каждый слой кроме последнего (выходного) разбит на два блока: возбуждающий (А) и тормозящий (В). Связи между блоками тоже разделяются на тормозящие и возбуждающие. Если от нейронов блока А к нейронам блока В ведут только возбуждающие связи, то это означает, что любой выходной сигнал блока является монотонной неубывающей функцией любого выходного сигнала блока А. Если же эти связи только тормозящие, то любой выходной сигнал блока В является невозрастающей функцией любого выходного сигнала блока А. Для нейронов монотонных сетей необходима монотонная зависимость выходного сигнала нейрона от параметров входных сигналов [65].

В прямых сетях нейроны входного слоя получают входные сигналы, преобразуют их и передают нейронам первого скрытого слоя и так далее вплоть до выходного, который выдает сигналы для интерпретатора и пользователя.

В перекрестных ИНС нейроны второго слоя имеют настраиваемые синаптические связи как с выходов нейронов первого слоя, так и непосредственно со входа.

Для латеральных ИНС характерно введение в скрытые слои боковых (латеральных) связей, обеспечивающих повышенную активность соответствующих нейронов.

В обратных ИНС сигналы с выходов нейронов могут подаваться на их входы либо на входы предыдущих скрытых слоев.

В плане степени связанности нейронов ИНС разделяются на сильно-связанные (выход каждого нейрона q-гo слоя связан с входом каждого нейрона (q+1)-го слоя) и умеренносвязные (некоторые связи отсутствуют).

В зависимости от особенностей обратного распространения сигнала выделяются слоисто-циклические, слоисто-полносвязные и полносвязно-слоистые.

В слоисто-циклических сетях слои замкнуты в кольцо, последний слой передает свои выходные сигналы первому. Все слои равноправны и могут как получать входные сигналы, так и выдавать выходные.

Слоисто-полносвязанные состоят из слоев, каждый из которых представляет собой полносвязную сеть, а сигналы передаются как от слоя к слою, так и внутри слоя; в каждом слое цикл работы распадается на три части: прием сигналов с предыдущего слоя, обмен сигналами внутри слоя, выработка выходного сигнала и передача к последующему слою.

Полносвязанно-слоистые, по своей структуре аналогичные слоисто-полносвязанным, но функционирующим по-другому: в них не разделяются фазы обмена внутри слоя и передачи следующему, на каждом такте нейроны всех слоев принимают сигналы от нейронов как своего слоя, так и последующих.

В соответствии с топологией обратной связи ИНС названы именами их исследователей – Элмана и Жордана. Примеры их конфигурации представлены на рис. 4.12.

По числу взаимосвязей между нейронами ИНС могут быть четырехсвязные (окрестность фон Неймана), шестисвязные (окрестность Голея), и восьми-

связные (окрестность Мура). Структура четырехсвязных и восьмисвязных ИНС приведены на рис. 4.11. в).

Известные ИНС можно разделить по типам структур нейронов на гомогенные (однородные) и гетерогенные. Гомогенные сети состоят из нейронов у оторых однотипная функция активации, а в гетерогенную сеть входят нейроны

с различными функциями активации.

Существуют бинарные и аналоговые сети. Первые из них оперируют только двоичными сигналами, и выход каждого нейрона может принимать значение либо логического нуля (заторможенное состояние) либо логической единицы (возбужденное состояние).