Методика проектирования отказоустойчивых вычислительных систем с резервированными каналами передачи данных Осипов, Андрей Владимирович

Введение к работе

Актуальность работы.

При проектировании вычислительных систем с интеграцией средств измерения, обработки и хранения информации, в том числе средств сбора информации с датчиков, измерительных и управляющих приборов, актуальной является задача обеспечения высокого уровня надежности, отказоустойчивости и производительности при ограничении затрат на их реализацию.

Основным методом повышения надежности и отказоустойчивости системы является введение избыточности, в том числе резервирование каналов передачи данных.

Одновременное использование нескольких каналов связано с вариантностью организации обмена. Используемые в настоящее время стандарты, протоколы и средства агрегирования в подавляющем большинстве направлены на объединение однородных каналов. Интерес представляет возможность использования каналов различной физической природы, в том числе проводных и беспроводных. Объединение разных сред для передачи информации позволяет адаптивно использовать их особенности, например, то, что проводные каналы невосприимчивы к радиопомехам в эфире, а в беспроводных каналах невозможен обрыв/повреждение кабеля. Широкое применение агрегирования разнородных каналов обусловлено также трудностью масштабирования кабельной системы эксплуатируемых объектов при относительной легкости подключения дополнительных беспроводных каналов, позволяющих, кроме того, предоставлять услуги мобильной передачи данных.

При объединении каналов, предполагающих использование различных протоколов множественного доступа, встает вопрос их интеграции. Учет особенностей каналов при агрегировании и распределении блоков данных позволит эффективно использовать их пропускные способности.

В связи с этим представляется актуальным разработка методологии автоматизированного проектирования вычислительных систем и сетей, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур в части разработки моделей, методов и средств поддержки оптимального проектирования систем с отказоустойчивой резервированной телекоммуникационной средой.

Объект исследования диссертационной работы - методики и средства автоматизированного проектирования отказоустойчивых вычислительных сетей.

Предмет исследования - методы проектирования вычислительных сетей с резервированными каналам.

Цель исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности автоматизированного проектирования вычислительных сетей с резервированием разнородных каналов на основе моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, учитывающих возможности отказов каналов, потери блоков данных и возможности их перераспределения по разнородным каналам с учетом их работоспособности и эффективности.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели требуется разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов синтеза и анализа проектных решений, в том числе:

1. Формирование вариантов проектных решений по построению отказоустойчивых вычислительных сетей с резервированием каналов.

2. Построение комплекса моделей надежности и производительности вычислительной сети, направленных на поддержку автоматизированного проектирования в части выбора рациональных вариантов организации разнородных каналов.

3. Определение рациональных вариантов распределения блоков данных по разнородным резервированным каналам.

4. Оптимизация фрагментации блоков данных и их распределения по резервированным неоднородным каналам.

5. Оптимизация размера скользящего окна при агрегации разнородных каналов с учетом отказов и сбоев при передаче блоков данных.

6. Векторная оптимизация структуры отказоустойчивых вычислительных систем с резервированием каналов различной природы.

Методы исследования. Для решения сформулированных задач и достижения поставленной цели в диссертационной работе использованы методы теории вероятностей, комбинаторного анализа, теории случайных процессов, в частности Марковских процессов, теории принятия решений, теории надежности, теории массового обслуживания, а также имитационного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Предложена методика автоматизированного проектирования отказоустойчивых вычислительных сетей с резервированием каналов различной физической природы, при этом:

6. 1. Сформулированы варианты проектных решений по организации межмашинного обмена через резервированные каналы различной физической природы.

   2. Предложен комплекс аналитических и имитационных моделей надежности и производительности вычислительной сети, направленных на поддержку автоматизированного проектирования в части выбора рациональных вариантов организации резервированных разнородных каналов, включая оптимизацию размера скользящего окна и фрагментации блоков данных для их распределения по неоднородным резервированным каналам с учетом сбоев и накопления отказов.

   3. Предложена и решена задача векторной оптимизации для поддержки параметрического и структурного синтеза проектных решений по резервированию неоднородных каналов.

   Практическая ценность работы состоит в следующем:

   1. Предложены модели оптимизации, позволяющие в процессе автоматизированного проектирования определять параметры вычислительной сети с резервированием каналов для различных приложений (минимизация энергопотребления и вероятности отказов, максимизация пропускной способности при ограничении стоимости системы и т.д.).

   6. 3. 1. Предложена имитационная модель процесса распределения блоков данных по резервированным каналам, позволяющая в процессе проектирования осуществлять количественный выбор параметров организации обмена через коммуникационную подсистему с различными характеристиками каналов.

         2. Предложена методика проектирования отказоустойчивых вычислительных сетей с каналами различной физической природы.

         Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе», Марийский государственный технический университет, 2009 г, г. Йошкар-Ола; VI (14-17 апреля 2009 г), VII (20-23 апреля 2010 г), VIII (12-15 апреля 2011 г) Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПбГУ ИТМО, г. Санкт-Петербург; Второй научный конгресс студентов и аспирантов ИНЖЭКОН-2009, 22-23 апреля 2009 г, г. Санкт-Петербург; IV Межвузовская научно-практическая конференция студентов, магистрантов и аспирантов «Социально-экономические аспекты сервиса: современное состояние и перспективы развития», СПбГУСЭ, 12-14 апреля 2010 г, г. Санкт-Петербург; Международная научно-практическая конференция «XXXIX (2010 г), XL (2011 г) Неделя науки СПбГПУ», г. Санкт-Петербург; Международная научно- практическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2011», 2011 г, г. Одесса; III Всероссийская молодежная научная конференция «Научный потенциал молодежи - будущее России», III Всероссийские научные Зворыкинские чтения, 22 апреля 2011 г, г. Муром; Межвузовская научно-практическая конференция «Перспективы развития северных территорий России: социально-экономический аспект», ГПА, 2011 г, г. Санкт-Петербург; VII Международная научно-практическая конференция «Перспективные направления в науке и технике - 2011», 2011 г, г. Пшемысль, Польша; IX научно-практическая конференция студентов и аспирантов (с международным участием) «Региональные аспекты инновационного развития сферы сервиса в современных условиях», СПбГУСЭ, 2011 г, г. Санкт-Петербург; II Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Исследования молодежи - экономике, производству, образованию», Сыктывкарский лесной институт, 2021 апреля 2011 года, г. Сыктывкар; V-я международная межвузовская научно- практическая конференция молодых ученых и специалистов «Лесной сектор экономики: проблемы и пути решения», СПбГЛТУ 2012 г, г. Санкт-Петербург; I Всероссийский конгресс молодых ученых, г. Санкт-Петербург, НИУ ИТМО, 2012; XLI (2012 г), ХLII (2013 г) научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург, НИУ ИТМО.

         Достоверность полученных 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.

         Реализация и внедрение результатов работы. Положения разработанной методики и модели поддержки автоматизированного проектирования резервированных сетей использованы при эскизном проектировании сети сбора данных технологического процесса производства на предприятии ОАО «СПЕКТР», что подтверждается актом о внедрении.

         Основные результаты работы внедрены в НИР кафедры ВТ НИУ ИТМО №610481 «Разработка методов и средств системотехнического проектирования информационных и управляющих систем с распределенной архитектурой».

         Исследования поддержаны:

         6. 3. 2. 1. Грантом в рамках Конкурса грантов 2011 года для студентов, аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга на реализацию НИР "Исследование и разработка методов построения вычислительных сетей при интеграции проводных и беспроводных каналов".

                  2. Грантом в рамках Конкурса грантов 2012 года для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга на реализацию НИР "Разработка алгоритмов высоконадежной передачи данных в сетях с гетерогенным резервированием магистралей".

                  3. Стипендией Президента Российской Федерации на 2011/2012 учебный

                  год.

                  Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ, включая 5 статей в изданиях из перечня ВАК.

                  Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

                  6. 3. 2. 3. 1. Методика проектирования отказоустойчивых вычислительных систем с резервированием каналов различной природы.

                              2. Модель оптимальной фрагментации блоков данных для распределения по резервированным каналам.

                              3. Имитационная модель и методика ее использования для поддержки автоматизированного проектирования при определении оптимального способа распределения блоков данных по разнородным резервированным каналам.

                              4. Модель оптимизации размера скользящего окна для сети с агрегацией разнородных каналов.

                              Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых литературных источников, списка сокращений и приложений. Общий объем диссертации - 150 страниц.

                              Похожие диссертации на Методика проектирования отказоустойчивых вычислительных систем с резервированными каналами передачи данных

                              

                              Разработка методики автоматизированного проектирования каналов передачи защищенных сообщений в беспроводных соединениях мобильных устройствБеломойцев Дмитрий Евгеньевич

                              

                              Разработка системы автоматизации процесса проектирования методики приработки двигателяБайда Александр Сергеевич

                              

                              Разработка методики системной интеграции и реструктуризации системы управления процессами проектирования на машиностроительном предприятииБурец Дмитрий Валентинович

                              

                              Методика проектирования сложных цифровых блоков в базисе ПЛИСКуликов Константин Владимирович

                              

                              Разработка моделей и методики проектирования токоограничивающих реакторов из лентыИванов, Александр Валерьевич

                              

                              Методика автоматизированного проектирования низкочастотного торсионного подвешивания кресел операторов транспортно-технологических машин Гордиенко Борис Александрович

                              Методика автоматизированного проектирования перспективных направлений управления строительными проектамиГуров Вадим Валентинович

                              

                              Разработка и применение методики создания информационной модели проблемной области автоматизации проектирования штампов Рогов Виктор Петрович

                              

                              Разработка методики оценки и корректирования баланса одежды в процессе автоматизированного проектированияКислицина Юлия Вадимовна

                              

                              Разработка компонентов автоматизированной системы проектирования систем теплоснабженияФилипова Инна Анатольевна