Введение к работе
Актуальность темы. Усиление роли информационных технологий в процессах управления производством обусловливает повышение требований к целостности и доступности данных в течение их жизненного цикла. В последние годы возросло внимание к системам резервного копирования — наиболее распространенному средству обеспечения сохранности данных. Проводится большое количество исследований, нацеленных на их совершенствование. Одно из основных направлений исследований связано с улучшением процессов управления хранением данных, разработкой новых алгоритмов резервного копирования, совершенствованием процесса восстановления данных.
Сложность проблемы эффективного хранения усугубляется наблюдаемым экспоненциальным ростом количества данных, который, согласно исследованиям ведущего международного аналитического агентства IDC, составляет 50-100 % ежегодно. Планирование ожидаемых объемов данных является необходимой составляющей процесса управления их хранением. Инструментарий оценки роста объема хранилищ для резервирования данных практически не представлен в современных системах. Требуется разработка способа прогнозирования объема хранимых резервных копий.
Известно, что используемые алгоритмы резервного копирования имеют ряд существенных недостатков, в частности не предоставляют выбора соотношений основных характеристик процессов резервного копирования: времени создания копий, восстановления данных, объема хранилища. Требуется разработка алгоритма, обладающего повышенной эффективностью, регулируемым балансом основных характеристик. Для этого требуется комплексное исследование количественных характеристик избыточности известных алгоритмов резервирования: полного, дифференциального, мультиуровневого, алгоритма А. М. Костелло, К. Юманса, Ф. By, алгоритма ZScheme.
В общем случае в хранилище может существовать несколько наборов элементарных резервных копий, пригодных для восстановления. Это обусловливает проблему нахождения оптимального набора копий для восстановления независимо от использованного алгоритма с учетом утраченных и дополнительно созданных копий.
Для реализации указанных путей совершенствования необходим аппарат математического и компьютерного моделирования работы систем резервного копирования. В зарубежных источниках, посвященных резервному копированию (A. L. Chervenak, V. Vellanki, Z. Kurmas, V. Gupta, A. Costello, C. Umans, F. Wu, S. Romig, L. P. Сох), повсеместно используется словесно-графический способ описания работы алгоритмов, процессов резервирования и восстановления данных. Для исследования применяется эмпирический подход, то есть алгоритмы резервирования реализуются в составе некоторой системы, где их качества тестируются на выбранных данных. Средства компьютерного моделирования необходимо дополнять построением математических моделей.
Существующие узкоспециализированные способы формализации (X. Wei, W. Min, А. Ю. Телешев) не подходят для решения поставленных задач.
Целью диссертационной работы является совершенствование процессов копирования и восстановления в системах резервирования данных.
В диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи.
-
Разработка способа прогнозирования объема резервных копий, который учитывает особенности используемых алгоритмов резервного копирования и моделей изменения данных.
-
Разработка рационального по времени выполнения способа автоматизированного восстановления данных с возможностью применения для любого набора элементарных резервных копий независимо от использованного алгоритма резервного копирования, учитывающего возможности утраты и дополнительного создания копий.
-
Научно обоснованный выбор показателей для численной оценки влияния избыточности на характеристики восстановления в алгоритмах резервного копирования.
-
Разработка нового алгоритма резервного копирования повышенной эффективности с регулируемым балансом основных характеристик.
-
Разработка программной среды для исследования процессов копирования и восстановления в системах резервирования данных.
Объект исследования — системы резервного копирования данных.
Предметом исследования являются характеристики алгоритмов создания резервных копий и процессов восстановления данных.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы и аппарат теории графов, теории автоматов, математической статистики, теории множеств.
^Научная новизна работы заключается в следующем.
-
Разработан способ прогнозирования объема резервных копий, отличающийся учетом особенностей используемых алгоритмов резервного копирования и моделей изменения данных, который позволяет оценить требуемые ресурсы памяти для работы систем резервного копирования.
-
Разработан способ автоматизированного восстановления данных, рациональный по времени выполнения, отличающийся независимостью от использованного алгоритма резервирования и учетом возможностей утраты и дополнительного создания копий, что позволяет применять его для любого набора элементарных резервных копий.
-
Впервые предложены показатели эффективности и восстановимо-сти для алгоритмов резервного копирования, которые позволяют численно оценить влияние уровня избыточности, создаваемой алгоритмом, на характеристики восстановления.
-
Предложен алгоритм резервного копирования данных, отличающийся повышенной эффективностью, который позволяет осуществлять опе-
рации резервирования с возможностью регулирования баланса основных характеристик.
Практическая значимость результатов. Были разработаны две программные системы резервного копирования: одна нацелена на осуществление компьютерного моделирования, другая предназначена для пользовательской эксплуатации. В системах реализованы разработанные способы прогнозирования, поиска пути восстановления. Внедрены рассмотренные алгоритмы резервного копирования, включая разработанный.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Способ прогнозирования объема резервных копий в системах резервирования данных.
-
Способ автоматизированного восстановления данных в системах резервного копирования.
-
Показатели эффективности и восстановимое для алгоритмов резервного копирования данных.
-
Алгоритм резервного копирования данных.
Реализация и внедрение результатов работы. Созданная полнофунк-циональная программная система резервного копирования опробована и эксплуатируется в Интернет-университете информационных технологий «Инту-ит» (г. Москва), а также в КБ «Курс» (г. Саранск), что подтверждено актами внедрения.
Материалы диссертации, включающие разработанное программное обеспечение, используются в учебном процессе для студентов специальности 230102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления».
Результаты работы использованы в госбюджетной НИР «Исследование эффективности систем резервного копирования» (целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы» Минобрнауки РФ, № 2.1.2/2485), а также в НИОКР «Разработка программной системы для обеспечения безопасности данных методами резервного копирования» (программа «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, № 08-2-8446).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ряде конференций, среди которых:
-
Международная конференция «CISSE», Bridgeport (СТ, USA), University of Bridgeport, 2008 г.
-
Международная научная конференция «Ломоносов», Москва, МГУ, 2009 г.
-
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика», Москва, МИЭТ, 2008 г.
-
Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика», Санкт-Петербург, СПбГУ ИТМО, 2008 г.
-
IX Международная научно-техническая конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI века», Воронеж, ВГУ, 2008 г.
-
Всероссийские конференции «Технологии Microsoft в теории и практике программирования», Нижний Новгород, ННГУ, 2007, 2008, 2009 гг.
На конкурсе научных работ аспирантов Всероссийской межвузовской конференции «Микроэлектроника и информатика» доклад автора был отмечен дипломом первой степени.
В результате всероссийского конкурсного отбора обзорно-аналитических статей по приоритетному направлению «Информационно-телекоммуникационные системы» статья «Технологии и алгоритмы резервного копирования» вошла в число двадцати статей-победителей. Конкурс проводился Федеральным государственным учреждением «Государственный научно-исследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций» (ФГУ ГНИЙ ИТТ «Информика»), а также АНО «Международное образование и наука» (Москва, 2008 г.).
На конкурсах работ в рамках всероссийских конференций «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» в 2008 и 2009 гг. доклады автора были отмечены дипломами второй степени.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 8 статей, среди них 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 9 тезисов докладов, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы из 119 наименований и приложения. Работа содержит 164 страниц основного текста, 2 страницы приложений, 68 рисунков, 6 таблиц.
