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

МОДЕЛЬ ОРГАНИЗАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ДЕГРАДАЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

Шушаков А.О. 1
1 Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
В соответствии с приоритетными направлениями развития информационных технологий, актуальным является создание единого информационного пространства, связывающего органы государственного управления, министерства и ведомства. Вместе с тем при формировании такой сложной инфо-телекоммуникационной системы возникает проблема обеспечения ее устойчивого функционирования в условиях возможных деструктивных воздействий. Непредсказуемость большинства воздействующих факторов, влияющих на свойства системы и ее топологию, придает особое значение анализу функциональной живучести с учетом состояния элементов системы и действующих между ними взаимосвязей. В статье предложена модель, учитывающая ресурсно-временные характеристики распределенного вычислительного процесса в инфо-телекоммуникационной системе, подверженной деструктивным воздействиям. Полученные аналитические соотношения позволяют оценивать временные потери при обработке информации в условиях нестохастической деградации вычислительной структуры при реализации различных способов загрузки резервных вычислительных модулей.
живучесть.
деструктивные воздействия
реконфигурирование вычислительной структуры
Информационно-телекоммуникационная система
1. Барский А. Б. Параллельные процессы в вычислительных системах. Планирование и организация. – М.: Радио и связь, 1990. – 256 с.
2. Басыров А. Г. Диспетчер энергосберегающего параллельного вычислительного процесса / Басыров А. Г., Данеев А. В., Мастин А. Б. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2010. – № 3 (27). – С. 157-162.
3. Додонов А. Г., Ландэ Д. В. Живучесть информационных систем. – К.: Наук.думка, 2011. – 256 с.
4. Кустов В. Н. Основы теории ограниченного структурного параллелизма // Министерство обороны. – 1992. – 246 с.
5. Половко А. М., Гуров С. В. Основы теории надежности. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 704 с.
6. 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.

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.


Библиографическая ссылка

Шушаков А.О. МОДЕЛЬ ОРГАНИЗАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ДЕГРАДАЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=10356 (дата обращения: 10.12.2019).

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