Модели и методы поддержки оптимального проектирования резервированных систем сбора и обработки информации кластерной архитектуры Голубев, Иван Юрьевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Быстродействие компьютерных сетей, достигнутое за последнее десятилетие, стало основой для развития технологии грид и облачных вычислений, позволяющих консолидировать вычислительные ресурсы и предоставлять их как сервис. Перераспределение вычислительной нагрузки через сеть и организация кооперативной работы компьютеров позволяют достичь не только высокой производительности, но и высокой отказоустойчивости распределённых вычислительных систем (ВС).

Использование идей технологии грид при проектировании ВС, обрабатывающих критически важную информацию, формируемую с датчиков, измерительных и управляющих приборов, требует учёта возможных специальных требований к надёжности базовых вычислительных узлов системы, а также ограничений времени и достоверности результатов обработки критичных запросов.

Значительный вклад в теорию надежности ВС внесли отечественные ученые Б.В. Гнеденко, А.М. Половко, И.А. Рябинин, И.А. Ушаков, Г.Н. Черкесов и др. Среди зарубежных учёных следует отметить A. Tanenbaum, M. Shooman, P. Jalote, P. Verissimo, M. Abd-El-Barr и др. Их работы в значительной мере способствовали изучению методов повышения и оценки надёжности ВС.

Исследование алгоритмов управления нагрузкой в распределённых ВС проведено в работах В.С. Пономаренко, В.Н. Коваленко, М.Г. Курносова и др.

Представляет интерес разработка методов, моделей и методик поддержки автоматизации процесса проектирования ВС кластерной архитектуры, предназначенных для сбора и обработки данных с датчиков измерительных и управляющих приборов, на базе отказоустойчивых вычислительных комплексов, с учётом организации дублированных вычислений для задач критичных приложений.

Объект исследования - системы сбора и обработки данных с датчиков, измерительных и управляющих приборов, предусматривающих объединение резервированных и нерезервированных узлов в кластеры с возможностью перераспределения запросов между кластерами при требовании организации дублированных вычислений для критических запросов.

Предмет исследования - модели, алгоритмы и методики поддержки автоматизированного оптимального проектирования распределённых мультикластерных систем.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение эффективности систем автоматизированного проектирования отказоустойчивых ВС кластерной архитектуры при неоднородности потока запросов, различающихся по критичности времени обслуживания и достоверности результатов, при организации дублированных вычислений для критичных приложений.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

разработка моделей оценки надёжности и времени пребывания запросов различной критичности в кластерной системе при возможности их перераспределения с учётом доступности и загруженности узлов при организации дублированных вычислений для критичных приложений;

постановка и решение задачи оптимизации структуры вычислительной системы с дублированием вычислительных ресурсов в узлах при возможности перераспределения запросов;

постановка и решение задачи оптимизации отказоустойчивого вычислительного процесса с учётом возможности адаптации к отказам, доступности и загруженности узлов при перераспределении потока запросов различной критичности;

формирование и выбор вариантов построения отказоустойчивых вычислительных комплексов, предусматривающих перераспределение запросов, в том числе для встраиваемых вычислительных узлов измерительных и управляющих приборов и систем;

разработка методики проектирования отказоустойчивых резервированных вычислительных систем кластерной архитектуры при неоднородности потока запросов, различающихся по критичности времени обслуживания и достоверности результатов, при организации дублированных вычислений для критичных приложений.

Научная новизна. Предложены модели оценки надёжности и времени пребывания запросов различной критичности в кластерной системе при возможности их перераспределения с учётом доступности и загруженности узлов при требовании организации дублированных вычислений для критичных приложений.

1. 1. Предложены постановка и решение задачи оптимизации структуры с объединением дублированных вычислительных систем в кластеры при возможности перераспределения запросов между ними.

   2. Предложены постановка и решение задачи оптимизации вычислительного процесса при адаптации к отказам, изменениям доступности и загруженности узлов системы кластеров, на основе перераспределения потока запросов между дублированными узлами кластеров с учетом различной критичности запросов ко времени и к достоверности их обслуживания.

   3. Предложена методика оптимального проектирования отказоустойчивых систем сбора и обработки информации при объединении дублированных компьютерных узлов в кластеры при неоднородности потока запросов, различающихся по критичности времени обслуживания и достоверности результатов.

   Практическая значимость работы. Предложен набор моделей и средств поддержки процесса автоматизации оптимального проектирования, включая модели оценки надёжности и времени пребывания запросов различной критичности в системах с объединением дублированных компьютерных узлов в кластеры, при возможности перераспределения запросов между узлами с учётом их доступности и загруженности, при организации дублированных вычислений для критичных приложений.

   1. 3. 1. Предложен набор средств поддержки (алгоритмы, аналитические и имитационные модели) оптимизации структуры с объединением дублированных вычислительных систем в кластеры.

         2. Предложен набор средств поддержки оптимизации вычислительного процесса с учётом адаптации к отказам, доступности и загруженности узлов при перераспределении неоднородного потока запросов различной критичности между узлами кластеров.

         3. Предложены средства поддержки проектирования отказоустойчивых резервированных ВС кластерной архитектуры при неоднородности потока запросов, различающихся по критичности времени обслуживания и достоверности результатов, при организации дублированных вычислений для критичных приложений.

         Методология и методы исследования. В исследовании используются аналитическое и имитационное моделирование, применяется теория надёжности, теория принятия решений, теория массового обслуживания.

         Положения, выносимые на защиту

         1. 3. 3. 1. Модели поддержки автоматизированного проектирования в части оценки надёжности кластерной системы при возможности перераспределения запросов с учётом доступности и загруженности узлов, при требовании организации дублированных вычислений для критичных приложений.

                  2. Модели поддержки автоматизированного проектирования в части оценки времени пребывания запросов различной критичности в кластерной системе при возможности их перераспределения с учётом доступности и загруженности узлов, при требовании организации дублированных вычислений для критичных приложений.

                  3 Методика проектирования отказоустойчивых резервированных ВС кластерной архитектуры при неоднородности потока запросов, различающихся по критичности времени обслуживания и требованиями достоверности результатов, при организации дублированных вычислений для критичных приложений.

                  Степень достоверности. Достоверность результатов обусловлена корректностью используемого математического аппарата, подтверждена имитационным моделированием, экспертизами работы при получении грантов, а также результатами внедрения. Полученные результаты согласованны с данными других исследований в отечественной и зарубежной литературе.

                  Апробация результатов. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на 16 научных конференциях, в том числе 8 международных: Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых учёных и специалистов «Лесной сектор экономики: проблемы и пути решения» (2012 г.); Международная конференция «Перспективные разработки науки и техники», г. Варшава, Польша (2011 г.); Международная научно-практическая конференция «XL Неделя науки СПбГПУ» (2011 г.); VII международная конференция «Стратегия качества в промышленности и образовании», Технический университет, г. Варна, Болгария (2011 г.); IX научно-практическая конференция студентов и аспирантов (с международным участием) «Региональные аспекты инновационного развития сферы сервиса в современных условиях» (2011 г.); Международная научно- практическая конференция «XXXIX Неделя науки СПбГПУ» (2010 г.); Международная научно-методическая конференция «Актуальные проблемы развития высшей школы» (2010 г.); Международная научная конференция «Вторые Санкт- Петербургские социологические чтения» (2010 г.).

                  По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, в том числе 6 статей в журналах, включённых в Перечень ВАК, и 1 статья в журнале, индексируемом базой Scopus.

                  Исследования поддержаны:

                  1. 3. 3. 2. 1. Грантом в рамках Конкурса грантов 2011 года для студентов, аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга. Тема проекта: "Исследование алгоритмов управления потоками запросов в вычислительной сети с иерархической структурой".

                              2. Стипендией Президента РФ 2012 года.

                              Результаты диссертационной работы включены в отчёт о научно- исследовательской работе кафедры Вычислительной техники НИУ ИТМО по теме №610481 и внедрены в производственный процесс компании ООО «БИФРИ».

                              Похожие диссертации на Модели и методы поддержки оптимального проектирования резервированных систем сбора и обработки информации кластерной архитектуры

                              

                              Разработка и исследование методов применения систем поддержки принятия решений на основе нечетких моделей в задачах проектирования информационно-вычислительных сетейСолодовников Андрей Юрьевич

                              

                              Автоматизированное проектирование математического обеспечения систем сбора и обработки информации Тараненко Марина Александровна

                              

                              Методы проектирования математического и программного обеспечения систем сбора и обработки геофизической информацииСарычев Дмитрий Юрьевич

                              Автоматизированная система сбора и обработки геофизической информацииСарычев Дмитрий Юрьевич

                              Модели и методы организации информационной поддержки принятия решений в сфере энергетикиРатманова Ирина Дмитриевна

                              Разработка метода и средств поддержки автоматического отображения концептуальных представлений в инфологические при проектировании САПР машиностроительного назначенияНовоселова, Ольга Вячеславовна

                              

                              Разработка метода и средств поддержки аналитической обработки, визуализации и документирования концептуальных представлений при проектировании САПР машиностроительного назначенияЩукин Максим Владимирович

                              

                              Интеллектуальная система поддержки процесса проектирования технологии производства отливок из черных металлов Агеев Владимир Константинович

                              

                              Автоматизированная система поддержки процесса проектирования рисунков протектора пневматических шинБадюля Алексей Петрович

                              

                              Средства автоматизации структурно-функционального проектирования микропроцессорных систем с развитой поддержкой обучения Негода Виктор Николаевич