08 августа 2012

Систематизация проблемы метаданных и аспекты систем безопасности
Вычислительная архитектура пятого поколения
Часть 2

В настоящий момент архитектуру пятого поколения связывают с embedded-устройствами (встроенными) или non-PC, то есть мобильными устройствами, цифровыми телевизорами, мобильными ларьками, видеокамерами с встроенными операционными системами и т.д.

Абсолютно очевидно, современная аппаратная эволюция склонна к миниатюризации и персонификации устройств с одной стороны, что было очевидно во время старта IBM/PC. В то же время миниатюризация и расширенная функциональность устройств предполагает вычислительную полноту «на борту» (можно по Тьюрингу) не только персональных устройств, но и устройств non-PC или, как еще принято называть, embedded-устройств (имеющих встроенную операционную систему). Прогнозируемое количество подобных устройств к 2015 году составит 40% (!) от прогнозируемой численности населения Земли, которая к 2015 году должна достигнуть 3 млрд. человек [3,4,5].


Рис. 2 Иллюстрации к организации облачного сообщества и подключения вычислительной ткани стандарта М2М к облачному пространству

Именно эти устройства будут объединены в многофункциональные вычислительные сети, где пользователь сможет получать различные услуги, не заботясь о внутреннем устройстве сети. Для внешнего пользователя глобальная сеть станет большим суперкомпьютером, что и лежит в концепции распределенных вычислений.

Выглядит все достаточно логично, но остается вопрос, куда деть суперкомпьютеры, которые показывают превосходную производительность, но пока не найдено массовое коммерческое применение? Заметим, что современный трансфер технологии предполагает анализ внедрения, опираясь на имеющиеся технологии. Безусловно, современные технологии позволяют организовать эффективный обмен данных в сетях устройств, но для обработки данных понадобятся более внушительные мощности компьютеров, вот здесь может пригодиться я архитектура супербольших машин.

В контексте применимости мейнфреймов и параллельных вычислений стоит опять же вспомнить опыт разработки IBM System/360 в 1964 году. Чем знаменательна эта версия компьютеров? В этой версии была решена проблема перехода метрической системы от десятичной, используемой еще Бэбиджем и после Эйкеном, к двоичной, но это не главное. В этом мейнфрейме была впервые предложена виртуализация с технологическим решением, а именно виртуальные машины, которые позволяли создавать отдельные рабочие копии мейнфрейма с ограниченной функциональностью, то есть IBM System/360 мог обслуживать в многопользовательском режиме десятки рабочих мест, что по логике напоминает современные «тонкие клиенты». В IBM System/360 была предложена концепция разделения времени между процессами, ее успех был полной неожиданностью для разработчиков IBM. Заметим, в настоящий момент существует операционные системы двух видов – разделения времени и реального времени. А в контексте вышеперечисленных тенденций ИВП будет изменена и логика операционных систем, точнее операционные системы трансформируются, а обработка в рамках разделения времени и реального времени будет конвергентно объединена.

Не стоит излишне детализировать подоснову утверждения, но именно технологии виртуализации, то есть программный слой, стали одной из основных причин успеха развития вычислительной техники. Под эгидой виртуальной машины Java, виртуализировавшей процессора, прошло целое десятилетие интернет-технологий. Именно виртуализация позволяет организовать кроссплатформенный характер портирования к любому сетевому ресурсу, именно виртуализация серверов обеспечивает функциональность интернет-ресурсов и сделала возможной современную услугу хостинга. И именно технологии виртуализации связываются с эффективным методом управления мегаданными, на которые ориентируются современные дата-центры [6]. Не были разработаны эффективные методы виртуализации для мейнфреймов и операционные система и, соответственно, языки программирования – мейнфреймы до сих пор не нашли коммерческого применения.

В настоящий момент уже предложена системная технология управления сетевыми ресурсами, связывающая аппаратных и программный слой. Речь идет о конвергентной инфраструктуре, частным случаем которой являются облачные технологии, как технологии виртуализации нового поколения. Конвергентная инфраструктура поддерживает идею системного подхода к разработке, как аппаратной, так и программной архитектуры, то есть компенсирует те недостатки, которые присутствовали в японской вычислительной архитектуре пятого поколения.

Конвергенция (лат., convergens – совпадающий) подразумевает сходство и совпадение каких-либо признаков и свойств в независимых друг от друга явлениях [7]. Конвергентная инфраструктура предполагает организацию единого и согласованного сетевого пространства, объединяющего вычислительные процессы и ресурсы, имеющие друг с другом конвергентные (сходные) свойства.

В рамках конвергентной инфраструктуры на физическом слое рассматривается парадигма организации вычислительной ткани (fabric computing), структура которой может быть разнообразной. В настоящий момент в разработке производителей находятся следующие стандарты:

уже ставший классическим классический Р2Р (peer-to-peer, «точка-точка») для пиринговых сетей, пример программной реализации самоорганизующейся пиринговой сети – это SKYPE. В рамках этого стандарта строятся и сенсорные сети ZigBee, которые активно используются в системах безопасности для мониторинга объекта наблюдения;
стандарт построения динамической вычислительной ткани на базе множества географически-распределенных датацентров: «хранилище-хранилище» (storage-to-storage) и внутри датацентра «сервер-сервер» (server-to-server), этот стандарт отмечается Gartner как самый перспективный для объединения датацентров [8];
приобретающий популярность согласно источникам [1,3,4] стандарт M2M (machine-to-machine, «машина-машина»), предназначенный для объединения embedded- или non-PC устройств.

Обслуживание вычислительных тканей и обеспечения их функциональности, безусловно, будет проводиться не только на уровне физического слоя, но и на уровне слоя виртуализации, а именно в частных, публичных, гибридных облаках и их сообществах. Это основной смысл облачной парадигмы, как глобальной службы виртуализации с выраженным коммерческим уклоном.

Хотя в настоящий момент облако рассматривается сугубо как удаленный сервис, сама концепция и функциональность облачного сообщества гораздо шире, прежде всего, это композиция сервисов по требованию, которые предоставляются как реальным пользователям, так и устройствам по запросу. Внутренняя архитектура будет скрыта, а доступ будет предоставляться по протоколам виртуализации в слое гипервиртуализации, рис. 3 и 4 [5]. По аналогии с доменными зонами гипероблачное пространство будет разбито на сервисные облачные зоны, где будут действовать специфические протоколы для обеспечения функциональности и сервисы. В этих зонах будут уже размещены уже привычные информационные доменные зоны, с развитием межоблачного пространства в каждой облачной зоне появятся собственные поисковые сервисы.

Рис. 3 Стеки протоколов гипервиртуализации и трехслойная
архитектура облака NIST 500?291?v1.0 [5]

Рис. 4 Иллюстрация к стеку протокола гипервиртуализации [5]

Что касается устройств, то по принципу самоорганизующихся пиринговых сетей они взаимодействуют между собой и при необходимости запрашивают функциональность в облаке или группе облаков. Все вышеописанное можно назвать решением в рамках вычислительной архитектуры пятого поколения. При таком подходе реализовываются характерные черты вычислительной архитектуры, которые были заявлены ранее, в частности в японском проекте компьютеров пятого поколения:

распределенные, параллельные и многослойные вычисления для обеспечения обмена данными и обеспечения функциональности устройств всех типов (PC и non-PC, подключенных к глобальной сети, то есть объединенных в интеллектуальную вычислительную ткань;
использование суперкомпьютеров в рамках вычислительной ткани «storage-to-storage» и server-to-server, особенно для обеспечения функциональности по управлению знаниями в сервисной модели облака DaaS (Data as Service, «данные как сервис») для обслуживания сверхбольших баз данных, а также других сервисных моделей;
как правило, распределенные вычисления подразумевают интеллектуальную обработку данных, (!) все интеллектуальные системы – многоуровневые.

В заключение архитектурный обзор свяжем с проблемой мегаданных. Напомним, что в 2011 году общемировой объем данных составил 1,8 зеттабайт, это соответствует 1,8 млрд. терабайт, к концу десятилетия обещают уже 35 зеттабайт и цифровую свалку при отсутствии интерфейса метаданных, которые способны не только оптимизировать объем цифровых данных, но и обеспечить прозрачный доступ.

Рост количества миниатюрных устройств будет продолжаться, именно эти устройства генерируют цифровую тень и часто паразитный объем данных, который и станет объектом атаки для киберпреступности и электронной разведки. Объем данных со всех устройств будет находиться в сети практически в открытом доступе и без адекватных методов защиты. Это касается также и современных систем безопасности, которые не имеют встроенных методов защиты от инструментария метаданных.

В настоящий момент только начинаются разработки, ориентированные на предполагаемую архитектуру пятого поколения, которую не успеют внедрить к концу десятилетия, поэтому для компенсации недостатков существующей архитектуры ИВП будут востребованы системы безопасности различной функциональности. А все системы безопасности должны разрабатываться в рамках архитектурного контекста и предполагаемой вычислительной архитектуры пятого поколения.

Литература:

Перспективные классы систем безопасности. Прогноз, Sec.ru. - http://daily.sec.ru/publication.cfm?pid=34018, 2012.
Edward A.Feigenbaum and Pamela McCorduck, The Fifth Generation: Aritficial Intelligence and Japan’s Computer Challenge to the World, Michael Joseph, 1983. ISBN 0-7181-2401-4
Global Internet Traffic Projected to Quadruple by 2015, http://newsroom.cisco.com/press-release-content?type=webcontent&articleId=324003
Cisco® Visual Networking Index (VNI) Forecast (2010-2015), http://www.cisco.com/en/US/netsol/ns827/networking_solutions_sub_solution.html#~forecast
Луговой А.В., Зеленцова Ж.Ю. «Эра мегаданных. Состояние и эволюция мирового информационно-вычислительного пространства». Випуск 1/2012 (72). Частина 1. -http://www.nbuv.gov.ua/portal/Natural/Vkdpu/2012_1_1/36.pdf.
Chandler Harris, «Data Centers Face Growth Challenges», InformationWeek, May 20, 2011. – http://www.informationweek.com/news/hardware/data_centers/229600034, 2012-02-28.
Д.Н. Ушаков «Большой толковый словарь современного русского языка»
Fabric Computing: Gartner’s view for the future of the datacenter. Juniper Networks. - http://forums.juniper.net/t5/The-New-Network/Fabric-Computing-Gartner-s-view-for-the-future-of-the-datacenter/ba-p/75820.
Луговой А.В., Зеленцова Ж.Ю. «Подходы и принципы разработки гибридного облака системы мониторинга с многомерными объектами исследования». Вестник университета № 6'2011. – Кременчуг: Национальный политехнический университет им. М.Остроградского, 2011.