Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

МОДЕЛЬ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННУЮ СИСТЕМУ

Басыров А.Г. 1 Швецов А.С. 1 Широбоков В.В. 1 Шушаков А.О. 1
1 Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского
Одним из основных способов обеспечения надежности и живучести современных информационно-телекоммуникационных систем является реализация различных способов резервирования. Однако в случае применения структурного резервирования, ресурсы вычислительных модулей, входящих в состав информационно-телекоммуникационных систем, в связи с неполной рабочей нагрузкой, как правило, используются нерационально. В статье рассмотрен подход к обеспечению надежности и живучести информационно-телекоммуникационных систем на основе функционального способа резервирования. Предложенная модель, учитывающая ресурсно-временные характеристики целевых задач и ресурсно-временные состояния вычислительных модулей, позволяет получить аналитические соотношения для оценивания живучести информационно-телекоммуникационных систем, а также времени выполнения целевых задач в условиях деградации вычислительной структуры при реализации различных способов загрузки вычислительных модулей.
живучесть
деградация вычислительной структуры
дестабилизирующие воздействия
Информационно-телекоммуникационная система
1. Барский А.Б. Параллельные процессы в вычислительных системах. Планирование и организация. – М.: Радио и связь, 1990. – 256 с.
2. Додонов А.Г., Ландэ Д.В. Живучесть информационных систем. – К.: Наук.думка, 2011. – 256 с.
3. Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 704 с.
4. Хорошевский В.Г. Архитектура вычислительных систем: Учеб. пособие. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 520 с.
5. Черкесов Г.Н. Методы и модели оценки живучести сложных систем. – М.: Знание, 1987 г.
6. Шушаков А.О. Модель организации распределенных вычислений в условиях деградации вычислительной структуры // Современные проблемы науки и образования. – 2013. - №5; URL: http://www.science-education.ru/111-10356.

Одним из основных способов обеспечения надежности и живучести [6,4]современных информационно-вычислительных телекоммуникационных систем (ИТКС) является реализация различных способов резервирования [6,3]. Однако в случае применения структурного резервирования, ресурсы вычислительных модулей (ВМ), входящих в состав ИТКС, в связи с неполной рабочей нагрузкой, как правило, используются нерационально. В статье рассмотрен подход к обеспечению надежности и живучести ИТКС на основе функционального способа резервирования. Предложенная модель, учитывающая ресурсно-временные характеристики целевых задач и ресурсно-временные состояния ВМ, позволяет получить аналитические соотношения для оценивания живучести ИТКС, а также времени выполнения целевых задач в условиях деградации вычислительной структуры при реализации различных способов загрузки ВМ.

Модель распределенной обработки информации

Обойти вышеуказанный недостаток позволяет реализация функционального резервирования за счет внедрения технологий параллельных вычислений[1] и средств виртуализации, позволяющих обеспечить эффективное использование и гибкое управление вычислительными ресурсами ВМ, а также быстрое восстановление вычислительного процесса благодаря надёжной системе резервного копирования и возможности «миграции» виртуальных сред между ВМ целиком без перерывов в обслуживании.

При этом реализация функционального резервирования обеспечивается посредством выполнения резервных копий заданий в виртуальной среде каждого из ВМ, участвующего в параллельном вычислительном процессе (ПВП).

Пример реализации данного подхода для однородной системы, включающей три ВМ, выполняющих три целевых задания , m=1, 2, 3, представлен на рисунке 1.

Рис.1. Пример реализации функциональной избыточности для ИТКС из трех ВМ

Однако, в связи ограниченностью вычислительного ресурса j-го ВМ, параллельное выполнение  целевых задач на виртуальных машинах может привести к увеличению времени  их выполнения, определяемого из соотношения:

при условии: , (1)

где количество разворачиваемых виртуальных машин;

 вычислительный ресурс ВМ, требуемый для выполнения m-го задания заноминальное время;

 номинальное время выполнения m-го задания (при условии предоставления вычислительного ресурса );

 вычислительный ресурс j-го ВМ, выделяемый k-ой виртуальной машине для выполнения m-го задания.

Временное смещение завершения выполнения m-го задания относительно номинального времени, возникающее при организации резервирования c реализацией   виртуальных машин, можно оценить функцией штрафа  определяемой из соотношения:

, (2)

где

.

Общий вид зависимости показателя функции штрафа от количества  виртуальных машин, обеспечивающих резервирование, представлен на рисунке 2.

Рис.2 . Общий вид зависимости показателя функции штрафа от количества виртуальных машин

Вместе с тем реализация рассматриваемого подхода позволяет обеспечить сокращение временных потерь , обусловленных естественной или вынужденной деградацией вычислительной структуры, за счет оперативного переключения для вывода результатов выполнения m-го задания с исправных вычислительных модулей. Общий вид зависимости временных потерь от количества отказавших в результате воздействия дестабилизирующих факторов ВМ представлен на рисунке 3.

Рис.3 . Общий вид зависимости временных потерь от количества отказавших ВМ

При формальном описании воздействия дестабилизирующих факторов используется модель точечного воздействия[5], которая в связи с учетом ресурсно-временных состояний ВМ, позволяет учесть момент времени воздействия и показатели деградации, характеризующие снижение производительности ВМ.

Таким образом, время выполнения m-го задания в условиях деградации резервируемой на K виртуальных машинах вычислительной структуры можно записать в виде:

. (3)

На рисунке 4 представлен примерграфа алгоритма выполнения целевой задачи и его реализации на трех ВМ в виде временной диаграммы.

Рис.4. Пример алгоритма выполнения целевой задачи и его реализации на трех ВМ

Учитывая множественность показателей вычислительных ресурсов ВМ, ресурсоемкостей выполняемых заданий, а также фактора неопределенности в описании воздействующей среды, необходимо использование последовательного, динамического планирования вычислительного процесса на каждом из интервалов (в дальнейшем – интервалов планирования ПВП).

Времявыполнения целевой задачи в этом случае можно записать в виде:

(4)

где

,

– время выполнения фрагмента m-го задания на l-ом интервале.

Тогда модель вычислительного процесса в условиях деградации резервируемой вычислительной структуры, можно представить в виде:

(5)

где

. (6)

Выходными величинами, формируемыми моделью, будут условная функция живучести [2] на каждом из L интервалов планирования загрузки и время завершения выполнения целевой задачи. Из представленной модели видно, что максимизация значения  и минимизация , может быть реализована за счет выбора рациональных управляющих воздействий, обеспечивающих минимальные значения . При этом необходимо учитывать, что функции и , входящие в (6) по параметрам и являются неубывающей и невозрастающей, соответственно.

Рис.5. Зависимости значений математических ожиданий показателей , и от количества отказавших ВМ

При проведении имитационного моделирования для системы, состоящей из ВМ, производился расчет значений математических ожиданий условной функции живучести при отказе ВМ для случаев реализации:

резервирования с максимальной () кратностью ();

нерезервируемой системы с возможностью перепланирования ПВП ();

выбора рационального количества виртуальных машин и способа распределения рабочей нагрузки при организации резервирования ().

Зависимости значений математических ожиданий показателей функций ,и от количества отказавших ВМ представлены на рисунке 7 (7а – при , 7б – при , 7в – при , 7г – при ),

– среднее значение коэффициента загрузки ВМ. (7)

Заключение

Анализ полученных результатов (рис. 5) позволяет сделать вывод о возможности использования предложенной моделидля оценивания живучести ИТКС, функционирующей в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, а также ее повышения посредством выбора рационального количества виртуальных машин и способа распределения рабочей нагрузки ВМ при реализации функционального резервирования.

Рассмотренный подход может быть применим при проектировании аппаратно-программных средств ИТКС специального назначения для обоснования тактико-технических характеристик распределенных информационно-вычислительных систем.

Рецензенты:

Горбулин В.И., д.т.н., профессор, профессор кафедры бортового электрооборудования и энергетических систем летательных аппаратов Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург;

Хомоненко А.Д., д.т.н., профессор, профессор кафедры математического и программного обеспечения Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург.


Библиографическая ссылка

Басыров А.Г., Швецов А.С., Широбоков В.В., Шушаков А.О. МОДЕЛЬ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННУЮ СИСТЕМУ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=20968 (дата обращения: 20.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074