Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Государственный университет-учебно-научно-производственный комплекс"

Направление: 230700.68 "Прикладная информатика"

Магистерская программа: "Системы корпоративного управления"

Автореферат

магистерской диссертации

Разработка инструментальных средств обеспечения взаимодействия с системами облачного хранения данных

Лупандин Александр Александрович

Орел, 2014

Работа выполнена на кафедре "Информационные системы" Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Государственный университет - учебно - научно - производственный комплекс"

Научный руководитель: доктор экономических наук, профессор

Савина Ольга Александровна

Официальный оппонент: кандидат экономических наук

Солодовников Олег Григорьевич

Защита состоится 30 июня 2014 г. в 14-00 на заседании Государственной аттестационной комиссии по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 40, ауд. 319.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Неотъемлемой частью современного информационного общества является глобальная сеть Интернет. Наряду с этим набирает популярность облачная архитектура. Публичные "облака" предоставляют свои услуги по подписке или бесплатно. Бизнес-модели таких сервисов варьируются от SaaS (Software as a Service - программное обеспечение как услуга) до PaaS (Platform as a Service - платформа как услуга) и IaaS (Infrastructure as a Service - инфраструктура как услуга) вместе с вариациями XaaS (что угодно как услуга). XaaS включает в себя AaaS (Archive as a Service - архив как услуга), STaaS (Storage as a Service - хранилище как услуга), DaaS (Desktop as a Service - рабочее место как услуга), CaaS (Computer as a Service - компьютер как услуга), BaaS (Backup as a Service - резервное копирование как услуга), EaaS (Email as a Service - почтовый сервис как услуга) и много других видов. Большое распространение вызвано преимуществами использования "облаков": высокой степенью отказоустойчивости, гибкостью и скоростью масштабирования необходимых ресурсов.

Облачная система хранения данных (или хранение данных как услуги) - это абстрактное понятие, соответствующее системе хранения данных, которую можно администрировать по требованию через специальный интерфейс. Этот интерфейс абстрагирует от местоположения системы, так что не имеет значения, является ли она локальной она или удаленной (или же гибридной). Облачные инфраструктуры хранения данных образуют новые архитектуры, которые поддерживают различные уровни обслуживания для потенциально большой группы пользователей и географически распределенных накопителей.

При тех темпах, которыми на данный момент растут объемы данных, не удивительно, что возрастает и популярность облачных систем хранения. Быстрее всего растут объемы архивных данных, которые идеально подходят для хранения в "облаке" при соблюдении ряда условий, включая условия экономичности, частоты обращений, защиты и доступности. Но не все облачные системы хранения одинаковы. Некоторые провайдеры облачных услуг сосредотачиваются главным образом на стоимости, в то время как другие делают основной акцент в своей работе на доступности или производительности. Ни одна из существующих архитектур не ориентирована на что-то одно, и степень реализации архитектурой заданной характеристики определяется ее рынком и целевыми моделями использования.

При этом наряду с большим разнообразием специфик облачных услуг наблюдается ситуация, аналогичная с системами обеспечения доступа пользователям к этим сервисам. На текущий момент нет единой концепции и спецификации, и, возможно её никогда не будет в силу сильного различия имеющихся провайдеров облачных услуг. В большинстве случаев пользователю предлагается интерфейс взаимодействия, наиболее удобный с точки зрения реализации сервиса, а самому пользователю приходится переобучаться для его эффективного использования.

Объектом исследования являются системы обеспечения взаимодействия пользователей с провайдерами услуг облачного хранения.

Цель диссертационной работы: повышение качества средств взаимодействия пользователя с сервисами облачного хранения данных (ОХД). хранение провайдер облачный

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- произвести анализ задач обеспечения взаимодействия с системами ОХД;

- исследовать методы и разработать модели построения взаимодействия с системами ОХД;

- сформировать структурные решения и алгоритмы построения взаимодействия пользователя с системами ОХД;

- реализовать программный прототип, обеспечивающий взаимодействие пользователя с системой ОХД;

- произвести оценку функционирования системы.

Методы и средства исследования. Для решения указанных выше задач используется анализ методов построения взаимодействия для удаленного хранения информации у провайдеров облачных услуг, с последующим обоснованием целесообразности их применения в зависимости от специфики облачного сервиса и реализацией программного прототипа система, обеспечивающей взаимодействие с сервисом защищенного хранения данных mobiFolder.

Средствами для осуществления исследования являются операционная система MS Windows (Windows 7 Home Premium x64), программный продукт оценки производительности выполнения файловых операций CrystalDiskMark, библиотека для виртуализации файловой системы Dokan.

Научная новизна работы:

- архитектура системы обеспечения взаимодействия пользователя с системами STaaS;

- схема программных компонент системы взаимодействия пользователя с сервисом облачного хранения данных;

- алгоритмы обеспечения взаимодействия пользователя с сервисом облачного хранения данных.

Практическая ценность работы заключается в разработке прототипа программной системы, обеспечивающей взаимодействие пользователя с сервисом защищенного облачного хранилища данных mobiFolder.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференции VI Международной научно-технической конференции в "Информационные технологии в науке, образовании и производстве" (г. Орёл, 2014г).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 102 страниц текста, в том числе 3 таблицы и 30 рисунков.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается выбор темы диссертации, её актуальность, формируется цель научной работы и задачи, необходимые для её достижения.

Первая глава диссертации посвящена анализу взаимодействия с системами ОХД. В ходе неё производится анализ специфики взаимодействия с сервисами STaaS, обзор существующих систем, обеспечивающих взаимодействие и определение требований к разрабатываемой информационной системе.

Проведенный анализ специфики взаимодействия с сервисами STaaS позволил сформулировать определение облачных технологий, которые представляют собой модель обеспечения повсеместного и удобного сетевого доступа по требованию к общему пулу конфигурируемых вычислительных ресурсов, которые могут быть оперативно предоставлены и освобождены с минимальными эксплуатационными затратами и обращениями в службу технической поддержки. Определено местоположение разрабатываемой информационной системы при предоставлении пользователям услуг облачного хранения данных и основные правила проектирования качественного пользовательского интерфейса, которые заключаются в предоставлении пользователю контроля над системой, уменьшение нагрузки на память пользователя и требование совместимости пользовательского интерфейса. Выполнена классификация пользовательских интерфейсов на процедурно-ориентированные и объектно-ориентированные, рассмотрены их достоинства и недостатки.

Обзор существующих систем, обеспечивающих построение взаимодействия с сервисами ОХД, позволил сформировать базовую архитектуру взаимодействия пользователя с "облаком", которая предполагает разделение общего интерфейса взаимодействия на два уровня: интерфейс взаимодействия с сервером и пользовательский интерфейс взаимодействия. Если первый из них выполняется только техническую роль обеспечение работы с системами STaaS и соответственно регулируется именно ими, то второй направлен на обеспечение пользователю комфорта использования. Таким образом, технический интерфейс предоставления услуг облачного хранения данных не должен каким-либо образом влиять и тем более ограничивать клиента в использовании базовых файловых операций. Существующие провайдеры услуг облачного хранения предлагают использование протоколов WebDAV, CDMI, FTP, SMB, NFS в качестве интерфейса работы. Однако в большинстве случаев для этой цели используется самостоятельно разработанное API.

Сформированы критерии оценки существующих облачных архитектур хранения данных: управляемость, метод доступа, производительность, мультитенантность, масштабируемость, готовность данных, эффективность хранения, стоимость, безопасность, версионность.

Были определены требования к разрабатываемым средствам взаимодействия с применением диаграммы вариантов использования, концептуальной схемы и диаграммы последовательности.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию методов построения взаимодействия с системами облачного хранения данных и разработке их моделей. В ходе неё рассматриваются принципы построения взаимодействия с системами ОХД, производится анализ и выбор метода построения взаимодействия, формируются модели обеспечения взаимодействия, как со стороны сервера, так и со стороны клиента.

Выделены и рассмотрены следующие методы построения взаимодействия с системами STaaS:

- построение взаимодействие на основе архитектуры "тонкого клиента";

- построение взаимодействия на основе архитектуры "толстого клиента" с применением технологий встроенных в ОС и прикладные приложения;

- построение взаимодействия на основе архитектуры "толстого клиента" с применением специально разработанного драйвера или приложения без жесткой интеграции сервиса ОХД в файловую систему ОС;

- построение взаимодействия на основе архитектуры "толстого клиента" с применением специально разработанного приложения и драйвера, обеспечивающего жесткую интеграцию ОХД в файловую систему ОС.

В результате был сделан вывод о том, что выбор метода обеспечения взаимодействия с сервисом ОХД зависит в первую очередь от цели использование системы STaaS. Если необходима дополнительная обработка информации (например, шифрование), вписывающаяся в рамки стандарта какого-либо встроенного механизма, то - построение взаимодействия с применением технологий интегрированных в ОС. Иначе потребуется разработка дополнительного ПО, которое либо будет внедряться в пользовательскую ФС, либо предоставлять пользователю копии хранящихся данных и возможность вносить изменения в них.

Обобщив системы-аналоги и проанализировав их методы обеспечения взаимодействия, была сформирована общая модель функционирования данного вида активностей, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1 - Общая модель обеспечения взаимодействия пользователя с системой облачного хранения данных

Сервер представляет собой шлюз доступа при организации инфраструктуры хранения в виде распределённых элементов. Интерфейс доступа обеспечивает возможность получения, изменения и отправки пользовательских данных. Транспорт осуществляет преобразование данных к виду, определённому в соответствии с выбранным интерфейсом, и их передачу или получение. При отсутствии необходимости дополнительной обработки обмениваемыми блоками данных транспорт связывается непосредственно с механизмом представления. В противном случае блоки подвергаются дополнительной обработке (например, шифрование, кэширование и дедупликация). Блок механизма представления обеспечивает отображение полученных данных пользователю и возможность их изменения.

Данная модель обеспечения взаимодействия с системами STaaS является универсальной архитектурой организации доступа пользователя к STaaS решениям вне зависимости от их особенностей.

В третьей главе определена структура разрабатываемых инструментальных средств обеспечения взаимодействия с системами облачного хранения данных, формат представления и хранения данных, полученных с сервера и базовые алгоритмы.

Разработанная архитектура представлена на рисунке 2. В её основе лежит разделения областей функционирования на уровни. Интернет консолидирует всю облачную инфраструктуру, предоставляемую пользователю для хранения информации. Связь с ней возможна только по заранее оговоренному и реализованному протоколу. Чаще всего таковым является разновидность HTTP.

Наибольший интерес вызывает связь подсистемы работы с сервером с подсистемой работы со службой имитирования подключения разделов. Данные с севера получаются в виде удобном для хранения и/или передачи. Их формат может сильно варьироваться в зависимости от используемого провайдера облачных услуг. Однако для достижения гибкости во взаимодействии с различными сервисами требуется преобразование полученных данных в универсальные блоки данных (обобщенный формат данных). Данные блоки впоследствии передаются подсистеме работы со службой имитации подключения разделов файловой системы, которая на их основе формирует иерархическую структуру для представления пользователю.

Рисунок 2 - Архитектура системы обеспечения взаимодействия пользователя с сервисом ОХД

Структура общего формата представления и хранения данных, полученных от сервера, основывается на существующих файловых системах с использованием понятий узел (node), индексный дескриптор (inode) и блок данных (block).

Рассматриваются алгоритмы загрузки файлового дерева пользовательских данных, получения блока данных и синхронизации файлового дерева в качестве ключевых в процессе предоставления доступа к "облаку".

Четвёртая глава посвящена реализации прототипа программного системы, обеспечения взаимодействия с системой защищенного облачного хранения данных mobiFolder, а также оценке эффективности её функционирования.

Провайдером услуг облачного хранения данных был выбран mobiFolder, так как он обладает необходимостью в производстве дополнительной обработки данных на стороне клиента для обеспечения защищенности от третьих лиц. Возможность осуществления дополнительного преобразования информации в фоновом для пользователя виде является основным конкуретным преимуществом разрабатываемой информационной системы. Популярные на данный момент сервисы, такие как Yandex Диск, Google Drive, Dropbox и т.д., не представляют интереса, поскольку они предоставляют свои услуги без дополнительной обработки информации.

Для реализации взаимодействия с сервисом mobiFolder требуется реализация следующих программных подсистем для обеспечения взаимодействия:

- подсистема работы с сервером провайдера облачных услуг;

- служба имитации подключенного раздела существующей файловой системы;

- подсистема работы со службой имитации подключенного раздела;

- подсистема конфигурации;

- подсистема управления работой;

- визуальная оболочка.

Служба имитации подключенного раздела обрабатывает системные вызовы к виртуальным разделам файловой системы и вызывает соответствующие обработчики зарегистрированного виртуального носителя. Данная задача является распространённой и для её решения уже имеются готовые программные средства. Для операционных систем семейства Unix оно отчасти обеспечивается ядром системы. Для реализации указанной задачи на ОС Windows требуется интеграции целого ряда программных элементов: драйвера, службы и динамической библиотеки для работы со службой. Однако не целесообразно разрабатывать данное программное обеспечение, при наличии уже созданных аналогов, полностью удовлетворяющих заданным требованиям. В качестве такового был выбран Dokan, который распространяется под лицензией LGPL, удовлетворяющей требованиям разрабатываемых инструментальных средств.

Подсистема работы со службой имитации подключенного раздела ФС должна обеспечить функционирование виртуального диска на основе интерфейса, предоставляемого службой. При использовании библиотеки Dokan для этого потребовалось сформировать корректные обработчики базовых системных вызовов.

От подсистемы конфигурирования требуется хранение двух видов параметров работы: постоянных и временных.

Подсистема управления работой обеспечивает исключительно запуск/остановку виртуального диска, т.е. его подключение/отключение.

Визуальная оболочка требуется для непосредственного взаимодействия с пользователем, который помимо изменения хранимых данных может влиять на конфигурацию и рабочее состояние виртуального диска. Поэтому визуальная оболочка включает в себя соответствующие подсистемы.

Выбранные программные компоненты требуется сгруппировать в готовое решение. На рисунке 3 представлена структура программной системы взаимодействия пользователя с сервисом ОХД.

В представленной схеме основное приложение, отвечающее за взаимодействие с провайдером облачных услуг, разделено на две программные компоненты (виртуальный диск и визуальная оболочка) связанных вызовами XML-RPC. Это требуется, поскольку подсистемы, входящие в виртуальный диск, достаточно сложны в реализации и требуют частой модификации (при изменении провайдера облачных услуг или его API доступа, так же как и возможное изменение программного интерфейса, предоставляемого библиотекой Dokan). Использование высокоуровневого интерпретируемого языка с обширным репозиторием дополнительных модулей ускорит реализацию и облегчит возможные последующие изменения. В то время как визуальная оболочка абсолютно статична для таких изменений. Поэтому целесообразно реализовывать её компилируемыми средствами с включением в него интерпретатора для виртуального диска. При этом асинхронное взаимодействие между интерпретируемой и компилируемой частями основного приложения может быть осуществлено только с помощью открытия локальных портов для чтения и записи данных.

Рисунок 3 - Схема программных компонент системы взаимодействия пользователя с сервисом облачного хранения данных

При этом взаимодействие между виртуальным диском и визуальной оболочкой удобно реализуется средствами XML-RPC. С каждой стороны заводится свой XML-RPC сервер для приема запросов и XML-RPC клиент для формирования запросов. Используемые порты для серверов не подлежат изменению, поскольку отсутствует способ их согласования между сторонами. Они должны быть зафиксированы в документации и жестко определены в программном коде.

Описывается API, используемое сервисом mobiFolder для предоставления доступа к хранимой информации.

Пользовательский интерфейс взаимодействия разделяется на привычный доступ к данным средствами ОС через подключаемый виртуальный диск и визуальную оболочку конфигурирования и управления работой системой. Для реализации первого потребовалось только сформировать корректные обработчики согласно интерфейсам библиотеки Dokan, так как за всё остальное отвечает ОС и непосредственно сама библиотека Dokan. Иная функциональность разработанной информационной системы предоставляется через визуальную оболочку.

В заключении излагаются основные результаты диссертационной работы:

1. Анализ задач обеспечения взаимодействия с системами ОХД позволил определить специфику взаимодействия с провайдерами услуг облачного хранения пользовательских данных, выявил необходимые конкурентные преимущества и правила построения качественных пользовательских интерфейсов, что позволило сформулировать требования к разрабатываемым средствам взаимодействия и общую модель взаимодействия.

2. Исследование методов и разработка моделей построения взаимодействия пользователей с системами ОХД определило особенно особенности применения каждого возможного метода и позволило сформировать методику построения взаимодействия систем ОХД по заданным критериям.

3. Формирование структурных решений и алгоритмов построения взаимодействия пользователя с сервисом ОХД позволило сформировать подсистемы, которые в совокупности и в полном соответствии со структурным подходом должны обеспечить взаимодействие.

4. Реализован программный прототип, обеспечивающий взаимодействие пользователя с системой защищенного облачного хранения данных mobiFolder.

5. Произведённая оценка функционирования система продемонстрировала достаточную производительность разработанной системы для комфортного её использования, а также выявила зависимость от скорости работы основного накопителя информации.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Лупандин А.А. Схема построения взаимодействия программных компонент сервиса mobiFolder [Текст] / Лупандин А.А. // Информационные системы и технологии (ИСиТ). Информационные системы и технологии: материалы Международной научно-технической интернет-конференции. - 2013. - Орёл: ГУ-УНПК.

2. Лупандин А.А. Построение механизмов взаимодействия облачного хранилища данных с пользователем [Текст] / Лупандин А.А. // 47-я студенческая научно-техническая конференция "Неделя науки - 2014". Тезисы докладов. - 2014. - Орёл: ГУ-УНПК.

3. Лупандин А.А. Построение взаимодействия пользователя с сервисом облачного хранения данных [Текст] / Лупандин А.А. // Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП). Материалы VI Международной научно-технической конференции. - 2014. - Орёл: ГУ-УНПК.

Размещено на Allbest.ru