4.13.Екологічний моніторинг довкілля та енергозбереження

Надзвичайно перспективним видається застосування архітектурних особливостей однорангових мереж, зокрема таких, як відсутність центрального вузла, для проектування комунікаційних структур та протоколів в задачах територіально розосередженого екологічного моніторингу.

Застосування однорангових мережних технологій для задач глобального екологічного моніторингу дозволить підвищити ефективність, здатність до масштабування та стійкість до відмов при збереженні або зменшенні витрат на виготовлення апаратури та програмного забезпечення (група задач екологічного моніторингу державного, регіонального та локального рівнів, об’єднаних в державну систему моніторингу довкілля, розосереджені системи спостереження за параметрами національних енергетичних мереж, такі як мобільна система моніторингу екологічних параметрів (МСМЕП) та в інтегрована інформаційно-аналітична система моніторингу (ІАСМ).

З огляду на технологічну спорідненість перерахованих систем та взаємне використання окремих модулів та компонентів надалі в роботі розглядається архітектурна специфіка та технічні аспекти функціонування саме ДСМД, розробленої у Всеукраїнському науково-дослідному інституті аналітичного приладобудування.

ДСМД є інформаційною системою, яка забезпечує інформаційну технологію спостереження, збирання, оброблення, передавання, збереження та аналізу інформації про стан довкілля, прогнозування його змін і розроблення науково-обгрунтованих рекомендацій для прийняття рішень про запобігання негативним змінам стану довкілля та дотримання вимог екологічної безпеки.

Проектна структура ДСМД передбачає понад 600 постів спостереження (ПС) за станом атмосферного повітря, за хімічним складом і кислотністю опадів та снігового покрову, за хімічним складом та якістю поверхневих вод, за радіаційним забрудненням атмосферного повітря, поверхневих вод та опадів тощо.

Проектним рішенням ДСМД як розосередженої комп’ютерної мережі є «клієнт-серверна» архітектура, в якій ролі клієнтських вузлів виконують ПС з індивідуальними каналами зв’язку до серверного вузла. З врахуванням оціночного рівня відмов каналів зв’язку в 2% технічне забезпечення таких каналів потребує резервування швидкості 6.58 Мбіт/сек для передавання даних до та від серверного вузла.

Алгоритмічним забезпеченням типової організації ДСМД передбачено, що у випадку збою каналу зв’язку ПС із центральним сервером, апаратно-програмне забезпечення ПС виконує накопичення виміряних даних спостереження в тимчасову пам’ять з подальшим передаванням всього пакету при відновленні зв’язку.

Архітектурним рішенням ДСМД надається можливість виконувати автоматичне оновлення програмного та мікро-програмного забезпечення компонентів ПС шляхом перевірки та автоматичного завантаження і встановлення оновлених модулів. Оновлення програмного та мікро-програмного забезпечення ПС ДСМД за умови, що об’єм типового пакету оновлення 10 Мбайт та з врахуванням розрахункової пікової пропускної здатності серверного каналу зв’язку потребує 124 хвилини.

Використання розглянутих вище методів та інструментальних засобів дає можливість побудувати ДСМД за архітектурними принципами однорангових мереж. При такому підході алгоритмічне забезпечення ДСМД модифікується таким чином, щоб у випадку збоїв каналу зв’язку ПС з серверним вузлом пакети збереженої інформації передавалися за допомогою оверлейної маршрутизації на інші вузли мережі відповідно до розробленої в дисертації метрики локальності. При застосуванні архітектурних принципів однорангової мережі для побудови ДСМД жодний з каналів зв’язку системи не буде навантажений в режимі повного насичення.

Це дозволяє планувати гарантовану пропускну здатність каналу зв’язку не більше 11 КБіт/сек, що в цілому підвищує стабільність каналу зв’язку, зокрема для телефонних ліній, де чутливість лінії передавання до завад пропорційна швидкості передавання даних.

Оновлення програмного та мікро-програмного забезпечення за тим же об’ємом типового пакету оновлення при застосуванні принципів масової доставки контенту в ТР СООМ виконується в два етапи: перший етап — первинне розповсюдження частин оновлення (з врахуванням резервованої швидкості на серверному вузлі) на 168 вузлів оверлею протягом 12 секунд при повному використанні каналу зв’язку центрального сервера; другий етап — подальше розповсюдження пакету оновлення серед вузлів мережі за принципом однорангового обміну протягом 4 умовних циклів загальною тривалістю 54 секунди при умові збереження повної працездатності серверного вузла та 72% працездатності вузлів ПС в будь-який момент часу.

Отже, якщо типова клієнт-серверна архітектура на оновлення програмного забезпечення потребує 124 хвилини виведення 100\% вузлів системи з вимірювально-інформаційного обміну, що може привести до втрати актуальності виміряних даних в контексті контролю в реальному часі, то при застосуванні однорангового архітектурного принципу час оновлення системи зменшується практично до 1 хвилини і в кожний момент цього часу залишаються активними не менше 72% вузлів ПС.

Зауважимо, що архітектурні міркування в контексті застосування однорангових технологій в задачах екологічного моніторингу не є специфічними саме до такого моніторингу. В якості параметрів, спостереження яких виконується системою, також можуть слугувати параметри національних енергетичних, автотранспортних, залізничних, повітряних та інших систем.

Такий підхід до архітектурного рішення ДСМД забезпечує балансування навантаження та автоматичне усунення наслідків збоїв каналів зв’язку.

Все вищенаведене знайшло своє застосування при проектуванні та плануванні модифікації групи споріднених проектів, виконуваних приватними підприємствами та державними структурами України.

Використання архітектурних принципів однорангових мереж, зокрема резервування каналів зв’язку, диверсифікацію ролей вузлів на польових постах спостереження, делегування функцій зв’язку з оверлейною структурою, а також методу збереження інформації про топологічну структуру мережі дозволяє зменшити кількість збоїв протягом доби до одного на кожному 200-му вузлі проти одного на кожному 30-му вузлі, збільшивши імовірність безвідмовної роботи до 0.99.

Використання надлишкового резервування, притаманного ІТ-рішенням на основі архітектури територіально розосереджених однорангових мереж дозволяє уникнути додаткових витрат на діагностику, пошук і усунення виявлених помилок, які в альтернативному варіанті «клієнт-серверної» архітектури складають від 8.0 до 12.0 тисяч гривень щодобово.

Державне агентство екологічних інвестицій України виконує роботи із обліку техногенних викидів парнікових газів та контролю енергоспоживання з метою покращення параметрів роботи в умовах вимушеної автономності внаслідок можливих надзвичайних ситуацій.

Наприклад, у випадку збою каналу зв’язку поста спостереження із центральним сервером, апаратно-програмне забезпечення виконує накопичення виміряних даних спостереження в тимчасову пам’ять з подальшим передаванням всього пакету при відновленні зв’язку. При цьому типова клієнт-серверна архітектура потребує 124 хвилини на оновлення програмного забезпечення та виведення з вимірювально-інформаційного обміну 100% вузлів системи, що може привести до втрати актуальності виміряних даних в контексті контролю в реальному часі.

При використанні архітектурних принципів однорангових мереж алгоритмічне забезпечення системи моніторингу модифікується таким чином, щоб у випадку збоїв каналу зв’язку поста спостереження з серверним вузлом пакети збереженої інформації передавалися за допомогою оверлейної маршрутизації на інші вузли мережі відповідно до метрики локальності. Час оновлення програмного та мікро-програмного забезпечення за тим же об’ємом типового пакету зменшується практично до 1 хвилини при збереженні повної працездатності серверного вузла та 72% працездатності вузлів постів спостереження в будь-який момент часу. Перехід архітектурного рішення на однорангові мережі дозволяє також на порядок зменшити енергоспоживання. Державна екологічна інспекція України в м.Києві використовує наведені вище матеріали при формуванні регіональної автоматизованої інформаційно-аналітичної системи моніторингу, яка повинна забезпечити інформаційну технологію спостереження, збирання, оброблення, передавання, збереження та аналізу інформації про стан довкілля, обсяги викидів та використаної енергії, прогнозування змін і розроблення науково-обґрунтованих рекомендацій для прийняття відповідних рішень.

Побудова прикладних реалізацій інформаційних технологій із залученням традиційних рішень фактично консервує принципові архітектурні недоліки «клієнт-серверних» мереж, зокрема, наявність так званої «єдиної точки відмови» — ланки системи, відмова якої або втрата зв’язності з якою виключає всю систему цілком, приводячи до втрати актуальності накопичених даних, а при тривалій відмові — до втрати накопичених даних взагалі.

Застосування метричного показника локальності та принципів багаторівневої децентралізації і адаптивного балансування міжсегментного трафіку для зменшення його обсягів та розвантаження центрального сервера або поточного координуючого вузла, дозволяють уникнути єдиної точки відмови» та тривалих ефектів перевантаження каналів зв’язку, особливо помітних при використанні технологій підключення, яким притаманна асиметрія швидкості прийому та передачі.

Принциповою рушійною силою для виникнення однорангових мереж зокрема, і парадигми розосередженого обміну і зберігання даних взагалі була, в першу чергу, необхідність розвантаження серверних ферм дата-центрів в задачах масової доставки контенту. Використання СООМ для такого класу задач дозволяє звести роль дата-центру до суто керівних аспектів функціонування мережі, таких як управління життєвим циклом публікацій, моніторинг активності оверлеїв, надання веб-інтерфейсу підтримки користувачів тощо.

Вагомим ефектом такого підходу є економія споживаної електричної енергії. Типова серверна ферма дата-центру хостингової компанії, до складу якої входить промисловий кондиціонер для охолодження приміщення з 200 продукційних серверів, 3 маршрутизаторів та численного допоміжного обладнання (KVM, NAS, комутатори тощо) потребує джерела безперебійного живлення класу від 15 Кіловатт та вище, а подекуди для забезпечення високого рівня доступности (uptime, online availability) такі джерела живлення резервуються та працюють паралельно.

В той же час типову інфраструктуру для масової доставки мультимедійного контенту того ж масштабу можна, при використанні СООМ, звести до одного контролюючого сервера та одного мережного сховища даних (NAS), вимоги до живлення яких не перевищать 1 Кіловатт навіть під піковим навантаженням.