Введение к работе
Актуальность. Большинство организаций науки и образования обладает специализированными лабораториям для проведения виртуальных и реальных экспериментов с привлечением вычислительной техники, используемой для удаленного управления аппаратными комплексами. Эти лаборатории представляют собой разрозненные программно-аппаратные комплексы (ПАК), каждый из которых предназначен для решения узкого круга задач. Отсутствие единой среды не позволяет говорить о них как о едином виртуальном исследовательском пространстве. Существуют способы и средства интеграции программно-аппаратных систем в единую распределенную вычислительную систему, ориентированную на процессы исследования, и управления ей, как единым виртуальным лабораторным ресурсом. Таким образом интеграция виртуальных лабораторий позволит развивать существующие виртуальные ресурсы, использовать их в коммерческих целях, эффективно управлять виртуальными лабораториями и динамически их масштабировать.
Известен подход к созданию виртуальных исследовательских пространств, отвечающих свойствам открытости, который дает возможность динамически настраивать, расширять, управлять имеющимися виртуальными лабораториями. Подход носит название «Технология построения открытых виртуальных исследовательских пространств».
Открытое виртуальное исследовательское пространство (ОВИП) представляет собой программно-аппаратный комплекс, ориентированный на автоматизацию исследовательских процессов в научных, образовательных и промышленных сферах деятельности государства, функционирующий в разнородной распределенной вычислительной среде и удовлетворяющий свойствам открытых систем.
Развертывание или модификация ОВИП требует решения задачи планирования оптимальной загрузки программно-аппаратных ресурсов организации с минимальными затратами. Применение имитационного моделирования возможно в качестве подсистемы оценки пропускной способности при минимальных затратах на эксплуатацию или модернизацию оборудования ОВИП.
Проблеме планирования вычислительного процесса при распределенных вычислениях всегда уделялось и продолжает уделяться достаточно большое внимание. Широкое освещение этих результатов дается в работах Коффмана Э.Г., Левина В.И., Топоркова В.В. Целый ряд решений этих вопросов был предложен в рамках теории расписаний в работах Конвея Р.В., Максвелла В.Л., Миллера Л.В., Танаева B.C., Перовской Е.И. и многих других. Известные алгоритмы поиска оптимальных расписаний для распределенных вычислительных систем характеризуются высокой алгоритмической сложностью, в связи с чем на практике обычно используют приближенные локально-оптимальные алгоритмы или алгоритмы, основанные на эвристиках. Эти алгоритмы не учитывают множества параметров, таких как производительность, объем свободной оперативной памяти, скорость и стоимость вычисления, которые необходимо
анализировать при осуществлении развертывания программно-аппаратного комплекса открытого виртуального исследовательского пространства.
Построение методики балансировки нагрузки программно-аппаратного комплекса открытого виртуального исследовательского пространства позволит осуществлять развертывание ОВИП эффективнее, с минимальными затратами ресурсов, качественно судить о необходимости модернизации программно-аппаратного комплекса.
Целью работы является разработка эффективных моделей и методов балансировки нагрузки программно-аппаратного комплекса открытого виртуального исследовательского пространства, применение которых повышает его пропускную способность и снижает затраты на его конфигурирование, а также реализация разработанных моделей и методов для решения прикладных задач, связанных с развертыванием и функционированием комплекса.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
исследование существующих способов повышения пропускной способности программно-аппаратной вычислительной среды и выявление недостатков на основе анализа состояния вопросов теории и практики их реализации;
разработка метода балансировки нагрузки программно-аппаратного комплекса ОВИП, обеспечивающего повышение пропускной способности и снижение затрат на проектирование конфигурации комплекса;
разработка имитационной модели комплекса открытого виртуального исследовательского пространства и способов ее масштабирования по компонентам;
разработка способов формирования алгоритмов обслуживания задач, для анализа эффективности их применения в зависимости от различных начальных условий моделирования;
разработка модели нечеткого вывода, обеспечивающей изменение структуры программно-аппаратного комплекса;
анализ существующих способов оптимизации расписания задач на предмет возможности использования для повышения пропускной способности ОВИП;
разработка эффективных вычислительных схем и алгоритмов формирования и преобразования структуры программно-аппаратного комплекса, а так же анализа и балансировки нагрузки;
разработка технологии и создание программного обеспечения балансировки нагрузки комплекса открытого виртуального исследовательского пространства, реализующих разработанные средства и методы моделирования и анализа нагрузки программно-аппаратного комплекса.
проведение экспериментальных исследований разработанных средств и методов для оценки их эффективности и возможностей использования при решении различных прикладных задач, связанных с функционированием ОВИП.
Объектом исследования является открытое виртуальное исследовательское пространство, его особенности, свойства и характеристики, структура, математические модели этой структуры.
Предметом исследования являются методы анализа и балансировки нагрузки программно-аппаратного комплекса, способы изменения структуры, реализующие эти методы и способы алгоритмы, программы и технологии балансировки нагрузки, а также оценки их эффективности и возможности практической реализации при решении различных прикладных задач, связанных с развертыванием и обслуживанием открытого виртуального исследовательского пространства.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.
Теоретические исследования основаны на использовании теории систем массового обслуживания, теории множеств, теории нечетких множеств и нечеткой логики, теории расписаний, теории вероятностей и математической статистики.
В экспериментальных исследованиях разработанных моделей и алгоритмов использовались методы имитационного моделирования, реляционной алгебры, системного анализа, нечеткого вывода, оптимизации, системного и прикладного программирования.
Достоверность изложенных положений работы подтверждается результатами практического применения разработанных методов, алгоритмов, программных средств и технологии нечеткой балансировки, научными трудами и апробациями созданного научно-технического продукта на представительных научных форумах. Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается при их сравнительном анализе с известными результатами современных исследований и разработок.
Теоретические положения, установленные в работе, обосновываются адекватным выбором исходных посылок и последовательным применением математического аппарата при получении из них выводов, а также верификацией этих выводов данными систематического исследования полученных аналитических результатов.
Достоверность экспериментальных результатов подтверждается их согласованностью с теоретическими выводами, обоснованным выбором корректных критериев при построении алгоритмов нечеткой балансировки, воспроизводимостью результатов на больших объемах экспериментального материала при выполнении серий вычислительных экспериментов с большим количеством изменяемых значений влияющих параметров, наглядностью интерпретации полученных практических результатов обработки информации.
На защиту выносятся результаты разработки и исследования методики нечеткой балансировки нагрузки программно-аппаратного комплекса открытого виртуального исследовательского пространства на основе имитационного эксперимента, имитационной модели ОВИП, методов и алгоритмов формирования, преобразования и анализа моделей, а также результаты практической реализации этих моделей, методов и алгоритмов - технология и программные средства нечеткой балансировки нагрузки для решения различных прикладных задач, связанных функционированием открытого виртуального исследовательского пространства, в том числе:
результаты исследования различных способов повышения пропускной способности программно-аппаратной вычислительной среды и выявления недостатков на основе анализа состояния вопросов теории и практики их реализации;
методика нечеткой балансировки нагрузки программно-аппаратного комплекса ОВИП на основе имитационного эксперимента, обеспечивающая повышение пропускной способности и снижение затрат на проектирование конфигурации комплекса;
имитационная модель комплекса открытого виртуального исследовательского пространства и способ ее масштабирования по компонентам;
модели хранения аппаратных конфигураций, требуемых критериев оптимизации, расписания задач;
способ формирования алгоритмов обслуживания задач, для анализа эффективности их применения в зависимости от различных начальных условий моделирования;
модель нечеткого вывода, обеспечивающая изменение структуры комплекса для повышения его пропускной способности;
результаты анализа существующих способов оптимизации расписания задач на предмет возможности применения для повышения пропускной способности комплекса;
математическая модель оптимизации расписания загрузки ресурсов открытого виртуального исследовательского пространства;
эффективные вычислительные схемы и алгоритмы формирования и преобразования структуры программно-аппаратного комплекса, а так же анализа и балансировки его нагрузки;
технология и программное обеспечение нечеткой балансировки нагрузки комплекса, реализующих разработанные средства и методы моделирования и анализа нагрузки программно-аппаратного комплекса открытого виртуального исследовательского пространства.
результаты проведенных экспериментальных исследований разработанных средств и методов для оценки их эффективности и возможностей использования при решении различных прикладных задач, связанных с функционированием ОВИП.
Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными исследованиями, в результате которых разработана имитационная модель программно-аппаратного комплекса открытого виртуального исследовательского пространства и методика нечеткой балансировки нагрузки комплекса на основе имитационного эксперимента, а также разработаны методы, построены алгоритмы и созданы технология и программные средства нечеткой балансировки нагрузки комплекса, что качественно повышает возможности решения практических задач поддержки функционирования открытого виртуального исследовательского пространства, тем самым, вносит существенный вклад в решение задач проектирования, развертывания и сопровождения ОВИП, в ходе которых:
исследованы различные способы повышения пропускной способности программно-аппаратной вычислительной среды и выявлены недостатки на основе анализа состояния вопросов теории и практики их реализации, заключающиеся в отсутствии возможности применения для балансировки нагрузки программно-аппаратного комплекса ОВИП;
разработана методика балансировки нагрузки программно-аппаратного комплекса открытого виртуального исследовательского пространства на основе имитационного эксперимента с применением алгоритмов нечеткого вывода для изменения структуры комплекса, обеспечивающая повышение пропускной способности и снижение затрат на проектирование его конфигурации;
разработана имитационная модель комплекса ОВИП и способ ее масштабирования по компонентам, заключающийся в применении шаблонов компонентов;
разработаны модели хранения и передачи структуры аппаратных конфигураций, требуемых критериев оптимизации, расписания заявок в переносимом формате XML;
разработан способ формирования алгоритмов обслуживания заявок, для анализа эффективности их применения в зависимости от различных начальных условий моделирования, заключающийся в построении модели с использованием шаблонов алгоритмов обслуживания задач;
на основе использования теорий нечетких множеств и нечеткой логики разработана модель нечеткого вывода, обеспечивающая изменение структуры ОВИП для повышения пропускной способности комплекса и позволяющая перераспределять аппаратные ресурсы по его структурным элементам;
в результате сравнительного анализа существующих способов оптимизации расписания задач установлена пригодность использования для повышения пропускной способности комплекса с модификацией под специфику его функционирования;
разработана математическая модель оптимизации расписания выполнения заявок для применения существующих способов оптимизации расписания;
разработаны эффективные вычислительные схемы и алгоритмы формирования и преобразования структуры программно-аппаратного комплекса ОВИП, а так же анализа и балансировки нагрузки комплекса, обеспечивающие высокую производительность вычислительных процессов и существенное снижение потребляемых ресурсов памяти за счет использования метода балансировки на нескольких уровнях и применения модели нечеткого вывода.
предложена и обоснована технология нечеткой балансировки нагрузки комплекса открытого виртуального исследовательского пространства на основе имитационного эксперимента, создан программный комплекс, реализующий эту технологию и использованный при выполнении экспериментальных исследований результаты которых позволили определить оценки их эффективности и возможностей применения разработанных средств и методов нечеткой балансировки при решении различных прикладных задач, связанных с функционированием ОВИП.
Практическая значимость заключается в применении новых эффективных моделей и методов нечеткой балансировки нагрузки программно-аппаратного комплекса открытого виртуального исследовательского пространства.
Разработано программное обеспечение, реализующее методы и технологию нечеткой балансировки нагрузки программно-аппаратного комплекса ОВИП на основе результатов имитационного эксперимента и формирования, изменения и анализа структуры комплекса с применением нечеткой логики.
Разработанные программные средства обеспечивают реализацию эффективных вычислительных схем и алгоритмов формирования и преобразования структуры программно-аппаратного комплекса ОВИП, а так же анализа и балансировки нагрузки комплекса, что позволяет обеспечивать ввод и хранение информации о доступном программном и аппаратном обеспечении открытого виртуального исследовательского пространства, осуществлять прогноз ожидаемых показателей пропускной способности комплекса и разрабатывать предложения по его модернизации.
Методика построения имитационных моделей, удовлетворяющих свойствам открытости, решает задачу неоднократного использования моделей и их расширения с учетом специфики системы.
Открытый формат хранения входных данных, конфигураций, результатов экспериментов, позволяет использовать данные из различных информационных систем.
Результаты экспериментальных исследований разработанных средств и методов и оценки их эффективности и возможностей использования при решении различных прикладных задач, а также опыт их эксплуатации подтверждают целесообразность их использования для качественного повышения возможностей решения практических задач, связанных с функционированием открытого виртуального исследовательского пространства.
Реализация результатов научного исследования
Полученные результаты использованы при выполнении научно исследовательской работы, выполненной в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2010 годы» (государственный контракт № 02.514.11.4045 ) по теме «Технология построения открытых виртуальных исследовательских пространств (ОВИП)»
Поданы 2 заявки на российский и международный патент на изобретение «Программно аппаратный комплекс и способ управления им»:
Заявка 2008122837 Российская федерация; заявитель ГОУ ВПО Ижевский гос. тех. унив.; заявл 06.06.2008, №027530.
Заявка PCT/RU2008/000802 международная ; заявитель ГОУ ВПО Ижевский гос. тех. унив.; заявл 26.12.2008, № 246; приоритет 06.06.2008 №027530
Результаты работы внедрены в Чайковском технологическом институте (филиал) ГОУВПО "Ижевский государственный технический университет" в виде учебно-методических разработок для специальности 230102 «Автоматизи-
рованные системы обработки информации и управления» и используются в учебном процессе при проведении занятий по курсам «Моделирование систем», «Методы оптимизации», «Теория автоматизированного управления», «Проектирование АСОИиУ», «Теория принятия решений». Акт внедрения (использования) результатов работы прилагается.
Разработанные методики, алгоритмы и программы обеспечивают повышение качества выполняемых работ, повышение производительности труда, снижение себестоимости производимой продукции, позволяют создавать программные и информационные продукты для многоцелевого использования и для создания автоматизированных систем поддержки функционирования открытого виртуального исследовательского пространства.
Апробация работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-практических конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция-семинар «Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» (Ижевск, 2006), XV Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным системам (Алушта, 2007), 2я Всероссийская научно-практическая конференция-семинар «Применение теории динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» (Ижевск, 2007), Международная научная конференция «Информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании» (Екатеринбург, 2007), Российская научно-практическая конференция «Открытые информационные технологии: перспективы развития и внедрения» (Уфа, 2008), VII Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2009), Четвертая всероссийская научно-практическая конференция по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности «Имитационное моделирование, теория и практика» ИММОД 2009 (Санкт-Петербург, 2009).
Публикации. Результаты диссертационного исследования изложены в 17 публикациях, из них три работы в научном издании, входящем в список журналов рекомендованных ВАК, монография, учебное пособие.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, приложений и библиографического списка, 128 наименований. Работа изложена на 171 листах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 43 таблицы, 10 приложений.
