Введение

Интенсивно развивающаяся сфера информационных технологий в настоящее время открывает широкие перспективы для развития многих областей науки и техники, что находит свое отражение в нормативно-правовых и законодательных актах РФ. Приоритетными являются направления по созданию единого информационно-телекоммуникационного пространства органов государственного, военного управления, МВД, МЧС и т.д., интегрированной федеральной сети передачи данных, внедрение систем мониторинга, учета и прогнозирования во все сферы деятельности.

Реализация данных направлений возможна на базе создания единой информационно-телекоммуникационной системы (ИТКС), связывающей органы государственной власти, министерства и ведомства.

Однако следует отметить, что устойчивое функционирование такой сложной системы неразрывно связано с обеспечением ее структурной и функциональной живучести. Поиск путей обеспечения высокого уровня живучести требует постановки и решения ряда сложных научно-технических задач. И если исследование структурной составляющей живучести в основном сводится к выявлению уязвимых мест в топологии системы и определению степени их влияния на целостность системы, то исследование функциональной составляющей живучести приводит к определению способности системы решать стоящие перед ней задачи в условиях структурной деградации.

Вместе с тем непредсказуемость изменения большинства воздействующих факторов, влияющих на свойства ИТКС и ее топологию, придает особое значение анализу функциональной составляющей живучести с учетом состояния элементов системы и действующих между ними взаимосвязей. При этом под воздействующими факторами могут пониматься ошибки операторов, физические и программно-аппаратные воздействия злоумышленников и любые деструктивные воздействия, приводящие к структурной деградации системы.

Рис.1. Периоды активной работы элементов ИТКС

Один из путей решения этой задачи лежит в плоскости управления резервными элементами (РМ) ИТКС в процессе диспетчирования вычислительного процесса с учетом ресурсно-временных характеристик на каждой из стадий выполнения плана вычислительного процесса (ПВП).

На рисунке 1 показан фрагмент временной диаграммы при выполнении m-го задания с основными периодами активной работы элементов ИТКС.

МОДЕЛЬ ОРГАНИЗАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ

Математическая модель распределенных вычислений представляет собой зависимость:

где – вычислительная структура,

 – расписание, определяющее загрузку вычислительных модулей,

 – множество деструктивных воздействий по элементам вычислительной структуры.

Время выполнения ПВП в этом случае складывается из времени ожидания поступления g-йстадии m-го задания в обработку, времени обработки g-й стадии m-го задания i-м вычислительным модулем (ВМ) и времени, затрачиваемого на передачу результатов обработки g-й стадии от i-го к j-му ВМ для обработки (g+1)-й стадии:

. (1)

Время ожидания поступления g-й стадии m-го задания в обработку в общем случае зависит от времени подготовки i-го ВМ к обработке g-й стадии m-го задания и времени ожидания поступления m-го задания в обработку:

. (2)

Необходимо отметить, что значения величин, входящих в выражение (2), являются функцией от расписания загрузки ВМ [1,4], а также соотношения между количеством заданий M, подлежащих обработке, и величиной выделяемого вычислительного ресурса (количества ВМ):

. (3)

При этом если значение , то значения , если данное соотношение выполняется для любых смежных стадий ПВП, то .

Для сформированного расписания загрузки ВМ начальные моменты времени поступления g-й стадии m-го задания в обработку, начальные моменты времени передачи результатов обработки определяются из соотношений (4) и (5) соответственно, а допустимый резерв времени из соотношения (6):

, (4)

, (5)

, (6)

где – директивное время завершения обработки m-го задания;

 – расчетное время завершения обработки m-го задания.

Модель деструктивных воздействий [3, 6] представлена множеством , где – показатель деградации i-го элемента, – показатель деградации канала связи между i-м и j-м элементами, – момент времени проведения деструктивных воздействий. При этом показатели деградации определяются как:–воздействие по элементу системы отсутствует,– ухудшение характеристик элемента системы,– элемент системы выведен из строя.

Таким образом, в результате деструктивных воздействий в момент времени , прогнозируемое время , затрачиваемое на обработку g-й стадии m-го задания i-мВМ, будет определяться из выражения (7):

, (7)

а прогнозируемое время передачи результатов обработки по каналу связи от i-го к j-му ВМ из выражения (8) соответственно:

. (8)

Из анализа выражений (6), (7) и (8) можно сделать вывод, что условием успешного выполнения задач по предназначению системой будет выполнение условия (9):

, (9)

Таким образом, для обеспечения требуемого уровня функциональной живучести [3, 6] ИТКС, необходимо минимизировать значения временных потерь, возникающих в результате деструктивных воздействий. С этой целью все вычислительные средства ИТКС разбиваются на подмножества основных средств, обеспечивающих непосредственное решение задач по предназначению, и резервных, обеспечивающих живучесть системы [5].

При этом на резервных вычислительных модулях (РМ) производится мультипрограммная обработка копий заданий, соответствующих загрузке основных ВМ. При отказе одного из основных ВМ, один из РМ прекращает мультипрограммную обработку и переходит к монопольной обработке задания, выполняемого отказавшим ВМ [2]. С целью сокращения задержки в обработке задания отказавший ВМ замещается тем РМ, на котором задание, выполняемое в момент отказа ВМ, выполнялось больше времени. Таким образом, время выполнения g-й стадии m-го задания на РМ будет определяться из соотношения (10):

, (10)

где  – квант времени, выделяемый на выполнение копийg-й стадии m-го задания, выполняемого на i-м ВМ в момент времени.

В случае замещения основного канала связи резервным, время передачи результатов обработки будет определяться из выражения (11):

 (11)

где  – объем выходной информации при обработке g-й стадии m-го задания,

 – пропускная способность канала связи между i-м и j-м ВМ,

 – пропускная способность резервного канала связи между i-м и j-м ВМ.

Таким образом, модель организации распределенных вычислений в условиях деградации вычислительной структуры может быть представлена следующим образом (рисунок 2).

Рис. 2. Модель организации распределенных вычислений в условиях деградации вычислительной структуры

Заключение

Предложенная модель может быть использована для анализа и оценивания эффективности диспетчирования распределенных вычислений в информационно-телекоммуникационных системах, функционирующих в условиях деградации вычислительной структуры.

Рецензенты:

Басыров А. Г., д.т.н., доцент, начальник кафедры информационно-вычислительных систем и сетей Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург.

Петренко С. А., д.т.н., доцент, начальник кафедры математического и программного обеспечения Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург.