close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102037

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ВОРОНИН А Л Е К С Е Й АЛЕКСАНДРОВИЧ
МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ П О В Ы Ш Е Н И Я
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ С И С Т Е М
ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ АСУП
Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление
технологическими процессами и производствами (промышленность)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Владимир 2005
Работа выполнена на кафедре «Информатика и защита информации»
Г О У В П О «Владимирский государственный университет»
Научный руководитель:
кандидат технических наук,
доцент Монахов Михаил Юрьевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
профессор Кобзев Александр Архипович
доктор технических наук,
профессор Федосеев Вадим Николаевич
Ведущая организация:
ООО «Инфоком», г. Владимир
Защита диссертации состоится « ^»
2005 г. в IS-*" на
заседании диссертационного совета Д.212.025.01 в ауд. 211 корп. 1 Влади­
мирского государственного университета по адресу: бООООО, г. Владимир,
ул. Горького, д.87.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского
государственного университета.
Автореферат разослан «
»
2005 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью,
просьба направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.87,
ученому секретарю совета.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор
Макаров Р.И.
I\U*. I pi/Jkj-.iL* ' wi o.wi..Lv.: P I
2^6^
SJ434
< ^
< ^'
Ши\
^
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность задачи. Одной из важнейших задач в современном про­
мышленном предприятии становится интеграция между автоматизированны­
ми системами управления производством (АСУП) и автоматизированными
системами управления технологическими процессами (АСУ 111). Эта тенден­
ция определяется переходом к универсальным стандартам и отказом от при­
меняемых фирменных (разработанных «под заказ») технологий, что опреде­
ляется их доступностью, открытостью и довольно высоким качеством. По­
строение АСУП (АСУ 111) при использовании данных технологий делает дос­
туп к производственной информации прозрачным и функциональным, обес­
печивая простоту установки и администрирования.
Процесс фу1псционирования АСУП, как сложной человеко-машинной
системы, сопряжен с обработкой больших объемов данных в условиях трудо­
емкости применяемых методов обработки и недостаточной своевременности
получаемой персоналом управленческой информации. Все это накладывает
жесткие требования на характеристики ее информационно-вычислительной
подсистемы. При этом наблюдается тенденция все более частого использова­
ния распределенных вычислений при автоматизации производства и интел­
лектуальной поддержки процессов управления. Распределенная обработка
данных, используя разделение функций АСУП, обладает такими достоинст­
вами, как малое время отклика, высокая доступность, возможность совмест­
ного использования ресурсов, инкрементального наращивания мощности как
системы в целом, так и ее компонентов. Современная наука определяет рас­
пределенную и в е в качестве технологической основы АСУП, часто делая
данные понятия синонимами.
Одной из принципиальных задач распределенных ИВС в настоящее
время стшювится обеспечение минимального времени доступа к ресурсам и
подсистемами множества одновременно работающих пользователей (процес­
сов). Современная наука определяет два пути решения выделенной задачи.
Первый ориентирован на улучшение характеристик оборудования, второй
связан с оптимизацией и разработкой новых моделей и процедур управления.
Если минимизация стоимости распределенной ИВС превалирует (что харак­
терно для средних и малых предприятий), то второй подход становится явно
предпочтительным.
В современной науке накоплен значительный потенциал в области по­
строения, модернизации, оптимизации и оценки качества функционирования
распределенньк ИВС. Тем не менее, явно не достает эффективных алгорит­
мов и процедур управления, методов анализа и синтеза распределенных
ИВС, особенно в задачах построения АСУП на базе П К и использующих в
качестве коммуникационной среды между подсистемами сеть общего пользо­
вания (Интернет).
Объект исследования диссертационной работы - управляющие распре­
деленные ИВС АСУП реального времени, в которых в процессе обработки
информации наблюдается нехватка вычмлнтельпых ресурсов.
РОС. НАЦИОНАЛ
Б И Б ЛnT%Kf
И О ТI Еt К
А^
^A
С. Петер jj
•а
4
Целью диссертационной работы является решение научнотехнической задачи разработки новых моделей, алгоритмов и процедур
управления, направленных на повышение производительности и качества об­
работки информации в АСУП.
Исходя из целей работы, задачами исследования являются:
1) Сравнительный анализ методов повышения производительности и ка­
чества функционирования распределенных ИВС АСУП.
2) Синтез новьк моделей и алгоритмов функционирования распределенной ИВС.
3) Разработка методик оценки эффективности функционирования рас­
пределенной ИВС.
4) Экспериментальное исследование полученных результатов и внедре­
ние их на производстве.
Методы исследования. Исследования поставленных выше задач прове­
дены с использованием методов теории систем массового обслуживания, тео­
рии графов, теории вероятностей. Проводился анализ структур построения и
процессов функционирования распределенной ИВС, моделирование и синтез
на их основе оптимальных алгоритмов и моделей обработки информации.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
1) Модели, алгоритмы и процедуры функционирования распределенной
ИВС с перестраиваемой архитектурой.
2) Методика оценки системных характеристик распределенной ИВС с
перестраиваемой архитектурой: среднее время отклика, доля необработанных
запросов, эффективность использования.
3) Программное обеспечение разработанных компонентов распределен­
ной ИВС и результаты экспериментальных исследований.
Научная новизна работы:
1) Предложен подход к построению распределенной ИВС АСУП, осно­
ванный на динамически меняющейся архитектуре распределенной ИВС в за­
висимости от условий функционирования и обеспечивающий повышение
производительности системы в целом.
2) Разработаны новые модели, алгоритмы и процедуры обработки ин­
формации в распределенной ИВС с перестраиваемой архитектурой, основан­
ные на системном походе, обеспечивающие эффективное функционирование
АСУП на базе ПК и использующих в качестве коммуникационной среды ме­
жду подсистемами сеть общего пользования (Интернет).
3) Предложена методика приближенной оценки качества функционирования
распределенной ИВС, основанная на комплексе математических моделей иссле­
дования зависимостей показателей эффективности от системных характеристик.
Практическая ценность полученных результатов заключается в разра­
ботанном
программном
обеспечении,
позволяющем
опреде­
лить/протестировать характеристики распределенной ИВС, а также осущест­
вить расширение ее функциональньге возможностей, как в штатном режиме
работы системы, так и в случаях нехватки вьмислительных ресурсов и при
низком уровне надежности системы. Их применение позволяет более эффек-
тивно использовать имеющиеся вычислительные ресурсы распределенной
и в е АСУП, а также избежать необосновшшых затрат при модернизации АСУП.
Реализация и внедрение результатов работы. Работа по теме диссер­
тационной работы проводилась на кафедре ИЗИ ГОУ ВПО «Владимирский
государственный университет» в рамках г/б НИР №№ 381/01,396/03, х/д НИР
KsNs 3162/04, 3181/05, 3197/05. Полученные результаты исследований вне­
дрены на ЗАО «Завод специального оборудования», ООО «МОКА», а также
использовались при разработке трех учебных курсов кафедры ИЗИ ВлГУ.
Апробация работы н публикации. Материалы диссертационной работы
докладывались и обсуждались на X X I I межведомственной научно-технической
конференции (Серпухов, 2003), международной научно-практической конфе­
ренции (Шуя, 2004), 4-й международной научно-технической конференции
(Владимир, 2000), межрегиональной выставке «Информационные технологии»
(Владимир, 2004, 2005), ярмарке-выставке «Современная образовательная сре­
да» (Москва, 2001, 2003). В процессе исследований опубликовано 13 работ, из
них 7 статей и 6 тезисов докладов в трудах Международных и Российских науч­
но-технических конференций и семинаров.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четы­
рех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации - 156
страницы, в том числе - 139 страниц основного текста, 11 страниц списка ли­
тературы (119 наименований). Диссертация содержит 79 рисунков и 6 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ Р А Б О Т Ы
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной рабо­
ты, формулируются основные цели и направления исследований, дается
структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту, пока­
зывается научная новизна и практическая значимость результатов работы.
Первая глава посвящена анализу проблемы исследования. Выделяется
класс распределенных ИВС обработки информации, исследуемый в работе,
определяются основные понятия, используемые для описания систем. Под­
черкивая информационный характер услуг, предоставляемых распределен­
ными ИВС, к ним относят не только вычислительные сети, но и АСУ, по
структуре и характеру функционирования подобные распределенным ИВС. К
числу особенностей АСУ, позволяющих установить их общность с распреде­
ленными ИВС, можно отнести следующие:
- наличие аналогичных с распределенной ИВС подсистем обработки, хра­
нения и обновления информации, построенных на основе средств вычисли­
тельной техники и обеспечивающих функциональность системы, а также тер­
минальных средств, обеспечивающих взаимодействие АСУ с пользователями;
- наличие взаимодействия между подсистемами обработки управленче­
ской информации разных уровней иерархии;
-необходимость обеспечения удаленного доступа пользователей к ре­
сурсам и подсистемам обработки информации;
- постоянное обновление информации, как в результате воздействия на
обьекгы управления, так и при обмене данными между объектами управления АСУ;
- проблемная ориентация П О и данных подсистем обработки информа­
ции различных уровней иерархии;
-обязательный обмен данными, обеспечивающий информационное
взаимодействие между территориально распределенными компонентами и
подсистемами А С У ;
-использование в качестве ядра А С У и распределенной И В С базовых
сетей обмена данными, которые обеспечивают информационное взаимодей­
ствие компонентов и подсистем, объединяя их в единое целое, как в струк­
турном, так и в функциональном отношении.
Основной технической задачей в распределенных И В С является обеспе­
чение минимального времени доступа к ресурсам для множества одновре­
менно работающих пользователей, т.е. повышение производительности сис­
темы. Рассматривая основные пути ее повышения, выполнен аналитический
обзор существующих подходов. На основе требований, предъявляемых к рас­
пределенным И В С и основных структурных решений, выявлены особенности
реализации подходов к масштабированию распределенных PfBC. На практике
повышение производительности распределенных И В С осуществляется, в ос­
новном, смеп1ением клиент-серверных систем в сторону толстого клиента или
аппаратной модернизацией. Однако наибольшим потенциалом обладают сис­
темы, использующие кластеризацию (таблица 1, выделены классы систем,
обеспечивающие наиболее благоприятное/эффективное значение параметра).
Таблица 1 - Сравнительная характеристика вычислительных систем
№
п/п
Класс сис­
темы
Использо­
вание раз­
личных ОС
Масшта­
бирование
МРР
+/-
SMP
NUMA
PVP
cs
Grid
Параметры системы
Ограниче­ Возможность Наличие спе­
ние на кол- не аппаратно­ циального
во элемен­ го масштаби- оборудова­
тов системы
рювания
ния
чф* ^1^"
■=P/r.
W^^^^
122 feM^
f ;^^f;
%
+/-
у. -''Ж-
+
У^ЖШМ
^л+Ш^Н
Ha основании анализа дальнейшие исследования предлагается проводить
на базе кластерной структуры с использованием модели взаимодействия «ак­
тивный-активный» и «псевдо активный-активный».
В о второй главе исследуются и разрабатываются алгоритмы и процеду­
ры формирования распределенной И В С с перестраиваемой архитектурой
' Возможные значения параметров "+" - есть/присутствует; "+/_" _ частично присутствует,
"-" - нет/отсутствует;"++" - хорошее;"%" - норма;"—" - плохое
" Определяете» операционной системой
' " Определяется типом кластера
7
(виртуальный кластер). Пусть распределенная ИВС содержит множество сер­
веров обработки 5 = {5|,.52>">5'„}, причем каждый сервер S, характеризуется
определенным уровнем доступных ресурсов Л, (процессорное время, объем
оперативной памяти, объем дисковой памяти и т.п.). Множество ресурсов
обозначим как R = {R,,R2>...,R„}, где R, eS,yi. Предполагается, что все ли­
нии связи абсолютно надежны и помехоустойчивы, узлы коммутации имеют
бесконечную память.
Трафик, поступающий на коммутатор распределенной ИВС (главный
сервер системы), состоит из сообщений одинакового приоритета и образует
пуассоновский поток со средним значением Л, для сообщений, поступающих
к
с узла /. Обозначим Яу =^^,,
где к - количество пользовательских вход-
ных потоков. Каждая линия связи состоит из единственного дуплексного ка­
нала (между всеми S, существует физическая или виртуальная линия связи).
Каждый S, характеризуется системой команд С,, выполнение которой воз­
можно над определенными объектами. В целом, распределенная информаци­
онно-вычислительная система обладает системой команд С = {С,,С2,...,С„},
где С, € S',,V/. Следует отметить, что некоторые команды могут выполняться
только на отдельных S,, что определяется особенностями используемого ап­
паратного и программного обеспечения на данном узле Длительность выпол­
нения запросов зависит от типа и множества выполняемых операций и дейст­
вий. Предполагается, что в системе выполняется множество типовых задач об­
работки, длительность которых существенно не отличается, и моменты време­
ни между ними подчиняются экспоненциальному закону распределения.
При анализе результатов будем использовать среднее значение для вре­
мени отклика для всех запросов 7, поступивших в систему за выбранный пе­
риод времени Т = \ti /к< где /, - время отклика для /-го запроса; к - количе(.1
/
ство запросов, поступивших в распределенную ИВС за выбранный период.
Будем считать, что выполнение запроса - процесс неделимый, а получе­
ние результата возможно только после завершения процесса обработки.
Определим через р - долю необработанных, по каким либо причинам
(потеря запросов, сбой при обслуживании, отказ в обслуживании и т.п), за­
просов за выбранный интервал времени р = Л'^„,, /А , где N^^,, - количество
необработанных запросов, к - количество запросов, поступивших в распре­
деленную ИВС. Также в дальнейшем для обозначе1шя данной характеристики
будет применяться параметр, определяющий отношение необработанных и
обработанных запросов находившихся в обработке.
Обозначим через qi- эффективность использования, котор)то определим
как огношение времени работы и времени простоя ресурсов сервера. Харак­
теристика определяет средт1ий процент времени (или долю), в течение кото-
8
рого серверы осуществляли выполнение запросов (р = Т,,^1т„, где: Т^^ время, в течение которого ресурсы использовались для выполнения запросов
(среднее по всем серверам), Т^ - длительность выбранного периода времени.
Данная характеристика определяет уровень готовности распределенной
ИВС, а также время ожидания запроса в очередях, и, в конечном счете, влияет
на время отклика.
Диспетчеризация запросов осуществляется при использовании стратегии
«первым поступил - первым обслужился» {FCFS).
Приведенные выше характеристики и предположения затрагивают как
системные, так и пользовательские параметры системы. Рассматривая при­
кладной уровень распределенной ИВС, определим систему как группу серве­
ров, объединенных для решения типовой задачи, где под типовой задачей по­
нимается выполнение запросов, направленные на обработку массивов дан­
ных. Тогда функционирование распределенной ИВС может быть представле­
но в виде:
F = f{M,P,V,n,m,C),
(1)
где: М - характеристика входного потока запросов на обработку; Р - ха­
рактеристика типового сервера обработки, выполняющего запросы; V - ха­
рактеристика телекоммуникационной среды; п - количество каналов связи,
по которым поступают запросы; т - количество используемых серверов об­
работки; С - характеристика службы планирования или распределения запро­
сов по серверам обработки.
Следовательно, распределенную ИВС можно рассматривать как систему
с одним входным потоком (n=t) и одним обрабатывающим узлом {т=1). При
такой организации модель распределенной ИВС будет соответствовать типу
архитектуры SISD по известной классификации Флинна.
Решается задача поиска такой архитектуры распределенной ИВС (назначен­
ных каналов связи между серверами и персональными пользовательскими ком­
пьютерами (топологии виртуального кластера)), которая обеспечивает минимиза­
цию значений fl (и/или (р), что, в свою очередь, приведет к неувеличениго 7.
Исходные данные: топологическая структура связей в распределенной
ИВС, вектор входных потоков запросов от I'-ro ПК к серверу распределенной
ИВС - ||А,||, вектор пропускных способностей каналов связи между узлом i и
сервером-коммутатором - ||^?J|, средняя длина сообщений-запросов - у, объ­
емы ресурсов ПК и серверов.
Ограничения:
- обязательная регистрация входящих запросов на сервере-коммутаторе
^0 ^ 2 ( Л -г) t„, где t„ - время передачи;
1=1
необходимость
передачи
переадресованных
запросов
на
ПК
'^j ^ Z!W' ■ n/'«' У/ = 1 •••'". где Я" - интенсивность переадресованных запром
I
сов с узла {'.
Обобщенный алгоритм обработки запроса
Этап 1. Инициирование запроса. Пользователь (пользовательский ком­
пьютер) инициирует запрос.
Этап 2. Передача запроса от П К на коммутатор кластера. Если связь с
коммутатором отсутствует, инициируется процесс выбора нового коммутатора.
Этап 3. Выбор сервера. В соответствии со стратегией планирования и
алгоритмом маршрутизации коммутатор осуществляет выбор сервера обра­
ботки.
Этап 4. Передача запроса от коммутатора на сервер обработки.
Этап 5. Обработка запроса на сервер обработки и оформление ответа
пользователю. Если обнаруживается сбой сервера обработки, то иницииру­
ются выборы нового сервера обработки.
Этап 6. Передача ответа (результатов) от сервера обработки коммутатоРУЭтап?. Фиксирование результатов выполнения запроса на коммутаторе
и подготовка ответа пользователю. Результаты выполнения заявки представ­
ляются в форме, воспринимаемой либо пользовательским приложением, либо
пользователем непосредственно. Если результат от сервера обработки не по­
ступил, то инициируются выборы нового сервера обработки, осуществляется
реконфигурирование кластера.
Этап 8. Передача сообщения-ответа от коммутатора до ПК. Расшифров­
ка (в случае необходимости) и представление ответа пользователю. Конец
алгоритма.
Определим 6 тшювых последовательностей (процедур) обработки запроса:
1) процедура выполнения пользовательского
на сервере
ft
у рв У^« Пв
ftзапроса
у П
Т
= Р■
2) процедура обработке объекта на одном из серверов распределенной
иве
ТППК ^ р^ _JL^P^(^.J^
_jL^psqp^
_J[L^p^^C^^jy^ -Ji^Pj
3) процедура обработю! на группе серверов, которая расширена по срав­
нению с 2) с целью повышения надежности и скорости обработки
{тГ1
_ v рв /~чс" 'pS (-iitH рв
" ^ ^ « > W '•'га >*^1с > ' «
Р'
/i ) Р ' С' р.'
^
р'
/i >Р* С'
^
р*
л» > р ' С' Р'
'к
' М ''^\ >М
Р'
''
■>Р:
^р'
> Р'
f/
у р
" у
10
4) обобщенная процедура переноса нагрузки с коммутатора на сервер обработки
[TJ""")' :
Jj_
'J
v р«
' ' к
(-<m pup
>'-'i[
f~:t
>^«
pa
г'^к'^к
fj'
^p.
5) процедура переноса нагрузки с коммутатора на группу серверов обра­
ботки, ориентированная на быстродействие процесса обработки
р
fi
'j
(^Г1
V р» с"'
^'к'^к
''к
P'f
с
Р'
>*-«>'«
/Г
-»Л
Р 7 —'fi-). р/, Cj', р/
^'"' > р;"
P'V
/я' > р'Р
/д ) Р« С
р"
6) процедура переноса нагрузки с коммутатора на группу серверов обра­
ботки, ориентированная на надежность процесса обработки
Pj -^Р:,СТ,Р,^,С:,Р:
-JJUPJ
- ^ ^ ( Г ),
>P',Cl,P'-^P^\
hnf= [Р:Г\-^^Р',С',,Р'
{P:±-
р ' Г" Р*
>(rl
в приведенных схемах обозначены: Р - объект (процесс, пользователь­
ский запрос); У - номер запроса, /^ - функция переноса запроса на сервер об­
работки; / j ' - функция переноса результатов с сервера обработки; С" - ко­
манды «внутрикластерныхл вычислений; С' - команды «внешнекластер-
ных» вычислений (ссоответственно R, = {л',/?'}); С**" - команды, выполне­
ние которых возможно на сервере обработки (С*" в противном случае).
Третья глава посвящена исследованию качества функционирования
виртуального кластера.
Виртуальный кластер предлагается рассматривать как двухуровневая
модель, каждый уровень которой работает по принципам системы массового
обслуживания, а взаимодействие между уровнями осуществляется и контро­
лируется коммутатором. На первом уровне модели осуществляется взаимо­
действие между ПК и сервером (коммутатором). Данное взаимодействие опи­
сывается в терминах СМО М/М/1 с ожиданием и ограниченной очередью. На
втором уровне модели осуществляется взаимодействие между коммутатором
и серверами обработки (модель СМО М/М/п). Особенностью данного уровня
является отсутствие очереди запросов у серверов обработки. Данное предпо­
ложение определяется, во-первых, учетом очереди запросов в модели на пер­
вом уровне представления, а во-вторых, частой сменой ПК.
Аналитические соотношения для расчета параметров и комментарии по
их расчету для конкретгшге моделей сведены в таблица 2, 3.
м.
Таблица 2 - Аналитические соотношения расчет параметров модели
Среднее время ожидания обслуживашя
Доля необработанных запросов
Структурная схема
Д,=(А-^)/Я.где^ = Л ( 1 - / ' _ ) ,
СЕРВЕР
л
(•ЫПОЛНН«Т)
^"^="
<Рс я
(^'сгУ-[1-(^..Г(^ + 1-^;<^с2)Г
€гг^
ТЕ
1
(1-<р,,)-к-(<'с:)'
тпк) (ппк)
\
У
Т^
^с2 =
meAMH-PoJH-Po^yh
р
^■[^Л-Роп^гЛ^-Рс)]
^оякЧу
Аналогично 7^^^ > вместо Р^ использовать
Р1=Х\{РАСЕРВЕР
(рачялмт
«•ФЯКУ)
&г.
ППК
ппк
(рюаюяят
ивфужу)
f
I
ч®.@-
AvoTAziA.
^-{<РаГ
.{9 ппк)"
у%ШкУ_
й kl
Аналогично,
вместо и использовать nfm.
1-я подмодель: аналогично f,^,, вместо fi^ 1-я подмодель: аналогично /З,, вместо
//^ использовать ^(^4,„
использовать fi^^^ = Мс ■ К^
2-я подмодель: аналогично T ^ j , вместо jU^j 2-я подмодель: аналогично fij > вместо
fj^2 использовать //^^, Л = Л - А^^
использовать ц^^ = //^ • (l -К^^,),
л = Л- Л ^ , ; ^я«г4 ~ Viij»c4»iil + ^ожАпм! //2
СЕРВЕР
1-(?'.Г
/5=[{^-А^у)-А^,]/{Л-А^,)
Для 1-й подмодели - аналогично, для 2-Й - Для 1-й подмодели - аналогично, для 2й-расчет аналогичный fi^
расчет аналогичный T^j
Ш111ца J - Аналитически*;
Процедура
Эффектив­
ность
системы
1
2
12
соотношения расчет параметров модели
3
Аналогично,
_ А
вместо jLl^
Анало­
Vl
использо­
гично
вать /i^2-
4
5
Mci
.
V-
^пм\
Анало­
гично
г^с^рез
Здесь: Д - интенсивность входного потока; //^- интенсивность обслу­
живания сервера; С - длина очереди к серверу; //^^ - интенсивность обслужи­
вания коммутатора; ^„пк- среднее значение коэффициента обслуживания
сервера обработки; п, к - максимальное и текущее количество серверов обра­
ботки соответственно; Р/ - вероятность отказа при выполнении запроса на
сервере обработки; т - количество групп серверов обработки; Ис^р„ - интен­
сивность обслуживания коммутатора, идущая на непосредственное выполне­
ние пользовательских запросов; //^4 ~ интенсивность обслуживания коммута­
тора, идущая на планирование; К^^^ - коэффициент, определяющий долю ре­
сурсов, идущую на выполнение запросов на коммутаторе; /^ - время плани­
рования запроса.
При использовании указанных аналитических соотношений средствами
MatCAD было проведено моделирование виртуального .кластера. В результа­
те выявлены следующие особенности;
1) с увеличением длины очереди входящих запросов для моделей проце­
дур 2 и 3 наблюдается резкое уменьшение относительного времени ожидагшя
обслуживания, для моделей процедур 5 и 6 падение значений данной харак­
теристики предваряет всплеск, который очевидно определяется интенсивным
накоплением заявок в очереди (рисунок 1);
Рисунок 1
2) при увеличении длины очереди (рисунок 2) наблюдается сдвиг вспле­
ска количества необработанных запросов относительно точки отсчета. В
дальнейшем, при приближении интенсивности входного потока запросов к
13
интенсивности
обслуживания
коммутатора, наблюдается резкое
падение значения данной характеристики;
—^
-т
—^.., V. \
ЭЗЙХ.Я
а
'•.
D
ш
ч
1 п "*Х
1»
\
ItWX Ч "'
J "
Iп
—---
"■>•..,
в
piolJL.W)
"Л
1—--Л\
V
,1
\ 1 W \.
1а
' *»
I
*\, ^
^
|Mo(L«»
ь,
-4U
Рисунок 2
3) эффективность системы для моделей 2, 3, 5, 6 слабо зависит от длины
очереди входящих запросов (рисунок 3). На графиках наблюдается переизбы­
ток ресурсов системы при данной интенсивности входного потока запросов.
\
Е2о(1. J )
емх л
(
0
И)
^.
V
EWX,»)"*
EJo(X5)
v\
i;.
\,
ч
1
«
--'
""
,.-■■
■
^
2на
..„
\ \
]
Б1а(>. Ш
—
-04
eiD(l «})
е4а<Х,40>
\м
в
\
"
|щ
1.:',,.^-
—-"7*;
ни
I
-' -
е»о<1 «1)""'
\ ^
—
Рисунок 3
Графики демонстрируют ухудшение значений характеристик для данных
моделей при крайне больших интенсивностях входного потока запросов, что
вероятнее всего определяется уменьшением количества доступных ресурсов
и увеличением доли необработанных запросов.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям и вари­
антам практического использования виртуального кластера в распределенной
и в е АСУП предприятий г. Владимира. В результате внедрения на предпри­
ятиях бьши оценены предельные характеристики существующей АСУП, бы­
ли определены пути ее оптимизации. Практически были сокращены сроки
выполения проектов, увеличена оперативность получения информации в под­
системе управления качеством, снижена загрузка серверов в среднем на 14%.
Экспериментальные исследования проводились с целью проверки возмоиаюсти организации виртуального кластера на базе существующей распределен­
ной и в е АСУП, получения реальных характеристик существующих линий
связи, использованных при проведении модельных экспериментов, а также
для проверки адекватности полученных математических зависимостей, ис-
14
пользуемых
для
расчета
характеристик
распределенной
И В С и виртуального кластера в распределенной И В С А С У П . В результате
было установлено, что проведение интерактивных процессов сильно затруд­
нено, если используется вариант ИС с централизованной архитектурой и дос­
туп через коммзтируемые телефонные линии. Также было установлено, что
зависимость времени отклика системы для пользователя, подключенного к
дочернему узлу (при использовании распределенной И В С А С У П ) , сначала
достаточно велика, но резко падает то приемлемого уровня при дальнейшей
работе. Таким образом, бьша экспериментально подтверждена возможность
сосздания систем на базе виртуального кластера в распределенной И В С
А С У П и продемонстрирована адекватность предложенных аналитических
соотношений и результатов экспериментов. Приведены особенности приме­
нения виртуального кластера в распределенной И В С А С У П для различного
рода задач, как сильносвязанных по данным, так и слабосвязанных, приво­
дится описание технологии применения виртуального кластера в распреде­
ленной И В С А С У П с точки зрения DDoS-атак (организации и защиты).
В заключении перечисляются основные результаты диссертационной ра­
боты.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ
1. Анализ стандартных средств повышения производительности распре­
деленной И В С показал, что они реализуется либо смещением клиентсерверных систем в сторону толстого клиента, либо аппаратной модерниза­
цией сервера и требуют предварительного планирования. В условиях постав­
ленной задачи целесообразнее использовать смешанную кластерную структу­
ру без разделения ресурсов, в которой взаимодействие серверов осуществля­
ется по одной из двух моделей: «Активный-Активный» или «псевдо Актив­
ный-Активный» .
2. Предложена типовая последовательность этагюв обработки пользова­
тельского запроса в кластерной структуре распределенной И В С , на основе
которой разработано семейство алгоритмов управления системы с изменяе­
мой степенью распределенности. Разработано формальное описание вирту­
альной кластерной структуры, на основании которого синтезированы матема­
тические модели типовых процедур обработки информации.
3. Предложена методика приближенной оценки качества функциониро­
вания распределенной И В С с перестраиваемой архитектурой, основанная на
комплексе математических моделей исследования зависимостей показателей
эффективности от системных характеристик, на основе которой разработан
комплекс программно-алгоритмических средств для расчета характеристик
распределенной И В С на базе MathCAD 2001.
4. Разработан комплекс программного обеспечения и конфигурационные
файлы для расшире1шя функциональных возможностей сервера распределен­
ной ИВС, моделирования обращений пользователей. Моделирование и реали­
зация в практических задачах А С У П , показало, что наибольшая эффектив-
15
кость
достигается
для
слабосвязанных
по
данным
задачам, требующих больших вычислительных ресурсов. Предложены под­
ходы использования для анализа защищенности систем и выявления потенци­
альных уязвимостей АСУП.
Таким образом, результаты теоретических и экспериментальных иссле­
дований дают основание заключить, что применение предложенных средств
позволит улучшить характеристики распределенной ИВС АСУП: среднее
время отклика, доля необработанных запросов, эффективность использова­
ния. Разработаны новые модели и алгоритмы, позволяющие перестраивать
ИВС, обеспечивающие для системы свойства самоадаптации и восстановле­
ния в процессе функционирования. Полученные результаты использованы
при построении и модернизации АСУП ряда производственных предприятий
Владимирской области и в целом подтвердили эффективность предложенного
подхода.
Материалы диссертации использованы при постановке учебных курсов
по дисциплинам: Информатика, Методы программирования и прикладные
алгоритмы. Структуры данных и объектно-ориентированное программирова­
ние.
О С Н О В Н Ы Е ПУБЛИКАЦИИ ПО Т Е М Е ДИССЕРТАЦИИ
1. Воронин А.А. Актуальность использования распределенных вычис­
лений в современных АСУП // Социально-экономические системы и процес­
сы: методы изучения и проблемы развития. Материалы международной науч­
но-практической конференции, Владимир, 2005. ее. 328-330.
2. Воронин А.А. И1ггенсификация использования вычислительных ре­
сурсов на предприятиях // Социально-экономические системы и процессы:
методы изучения и проблемы развития. Материалы международной научнопрактической конференции, Владимир, 2005. ее. 330-333.
3. Воронин А.А., Илларионов Ю.А. и др. Виртуальный кластер и DDoSатаки / Труды Российского научно-технического общества радиотехники,
электроники и связи имени А.С. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная
Дню радио. Выпуск: LX-1. М.: «Инсвязьиздат», 2005.
4. Воронин А.А. Виртуальные кластерные решения. / Юбилейное изда­
ние ВлГУ. Владим. гос. ун-т. Владимир, 2003.
5. Воронин А.А. Распределенная телекоммуникационная система с
адаптируемой производительностью / Современные информационные техно­
логии в образовательном процессе и научных исследованиях. Материалы
Международной научно-практической конференции / Под.ред. В.Н. Федосее­
ва. - Шуя: Изд-во «Весть» ГОУ ВПО «ШГПУ», 2004. - 235 с.
6. Воронин А.А., Калмыков М.С, Монахов М.Ю. Основные проблемы
защиты от коллективных распределенных атак на вычислительные ресурсы
информационных систем / Труды Российского научно-технического общест­
ва радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова. Серия: Научная
сессия, посвященная Дню радио. Выпуск: LX-1. М.: «Инсвязьиздат», 2005.
16
7. Монахов М.Ю., Воронин
А.А. Универсальная тестирующая
оболочка для системы автоматизированного обучения // Современные ин­
формационные технологии в образовательном процессе и научных исследо­
ваниях : Сб.статей к междунар. конф. - Шуя: «Весть», 2000, с.48-56.
8. Монахов М.Ю., Воронин А.А., Михайлов А.В. Проблемы совершен­
ствования распределенных телекоммуникационных систем // Проблемы
обеспечения эффективности и устойчивости сложных технических систем:
Сборник трудов X X I I межведомственной научно-технической конференции.
Серпухов. 2003. - С. 48-50.
9. Монахов М.Ю., Воронин А.А. и др. Система контроля доступа к
компьютерам в корпоративной сети // Проблемы обеспечения эффективности
и устойчивости сложных технических систем: Сборник трудов X X I I межве­
домственной научно-технической конференции. Серпухов. 2003. - С. 41-44.
10. Монахов М.Ю., Воронин А.А., Александров А.А. Система автомати­
зированного контроля успеваемости // Физика и радиоэлектроника в медици­
не и экологии: Труды 4-й международ1юй научно-технической конференции.Издательство Института оценки природных ресурсов: Владимир, 2000, с.367372.
И. Александров А.А., Воронин А.А., Монахов М.Ю. Администрирова­
ние в информационной образовательной сети / Информационные технологии
и электроника: Материалы Четвертой Всероссийской НТК, Екатеринбург:
УГТУ-УПИ,2000,с.108.
12. Воронин А.А., Илларионов Ю.А., Михайлов А.В., Монахов М.Ю.
Противодействие DDOS-атакам с помощью виртуального кластера // Ком­
плексная защита объектов информатизации. Материалы научно-технического
семинара межрегиональной выставки «Информационные технологии - 2005»,
Владимир, Владим. гос. ун-т., 2005. ее. 51-53.
13. Воронин А.А., Калмыков М.С, Монахов М.Ю. Проблема защиты от
коллеггивных распределенных атак на вычислительные ресурсы телекомму­
никационных систем // Комплексная защита объектов информатизации. Ма­
териалы научно-технического семинара межрегиональной выставки «Инфор­
мационные технологии - 2005», Владимир, Владим. гос. ун-т., 2005. ее. 55-58.
^4
ЛР Ns 020275. Подписано в печать 23 09 05.
Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме
Печать на ризографе. Уел печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 0,98. Тираж 100 экз.
Заказ ^^/
-Ja^S/r
Издательство
Владимирского государственного университета
600000, Владимир, ул. Горького, 87.
f
i
ms^zt
РНБ Русский фонд
2006-4
21734
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
824 Кб
Теги
bd000102037
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа