автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация управления предприятием в реальном масштабе времени с применением технологий виртуализации

На правах рукописи

ч /

СОКОЛ АНДРЕИ АНДРЕЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ

В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИЙ ВИРТУАЛИЗАЦИИ

Специальность 05.13.06-Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

24 ОКТ 2013

005535402

Москва 2013

005535402

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Автоматизированные системы управления».

Научный руководитель: Юрчик Петр Францевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автоматизированные системы управления» МАДИ, г. Москва Официальные оппоненты: Суворов Дмитрий Наумович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов» МАДИ, г. Москва

Никонов Вячеслав Викторович,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные

системы управления и

информационные технологии» МГУПИ, г. Москва

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана -Национальный исследовательский университет техники и технологий (МГТУ им. Н.Э. Баумана), г. Москва.

Защита состоится 13 ноября 2013 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д. 64, ауд. 42.

Телефон для справок: (499) 155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Текс автореферата размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии: www.vak.edu.gov.ru.

Автореферат разослан 11 октября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.126.05, кандидат технических наук, доцент Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

В реальном времени обеспечение отказоустойчивости информации, и оптимизация информационной структуры являются одними из наиболее востребованных направлений развития информационных технологий. Ежедневно разработчики программного обеспечения совершенствуются программные способы и методики. Мировые производители аппаратных составляющих предлагают новые усовершенствованные комплектующие под данные задачи. Особое внимание заслуживают технологии виртуализации, предоставляющие огромное множество инструментов оптимизации, распределения информационных нагрузок и созданию интеллектуальных отказоустойчивых систем.

Основной причин потерь информации на промышленных предприятиях являются слабая совместимость существующих способов резервирования информации, сложность административного управления, а также особые требования к квалификации обслуживающего персонала. В дополнение к выше описанным проблемам относятся некорректное технологическое функционирование и безопасность в целом.

В связи с увеличением управленческих задач и повышению их технологических сложностей существует потребность в автоматизированных решениях управления информационной структурой предприятий. Необходимо модернизировать существующие модели и алгоритмы обеспечения отказоустойчивости информационных компонентов с целью совершенствования классических способов и методик, а также интеграции друг с другом для возможности задействования всех преимуществ.

Цель и основные задачи исследования

Целью диссертационной работы является повышение эффективности управления предприятием, за счет создания универсальной отказоустойчивой модели управления предприятием в реальном масштабе времени с использованием технологий виртуализации для обеспечения отказоустойчивости информации и минимизации существующего оборудования.

Для реализации поставленной цели исследования в диссертации должны быть решены следующие задачи:

• Анализ существующих способов, методик и технологий резервирования информации реального времени. Системный анализ существующих продуктов и технологий виртуализации для использования их преимуществ.

• Изучение факторов отказоустойчивости информации. Построение математической модели оптимизации затрат аппаратного

обеспечения, информационных хранилищ данных и виртуальных машин. Оценка эффективности встроенных информационно-управляемых систем.

• Разработка методики преобразования серверного оборудования с применением технологий виртуализации для повышения эффективности использования вычислительных ресурсов.

• Создание математической модели распределения вычислительных ресурсов.

• Построение универсальной модели реализации отказоустойчивости информационных компонентов. Разработка ярусной параллельной формы представления алгоритмов информационных потоков.

• Анализ и обработка данных, полученных в результате искусственных испытаний. Доказательство выбранной стратегии отказоустойчивой модели в ходе практического внедрения.

Методы исследования

В работе используются методы математического моделирования, методы оптимизации, математической статистики и теории вероятностей. При анализе полученных результатов использованы современные методы обработки данных.

Научная новизна

Научную новизну работы составляют модели, алгоритмы, методы и методическое обеспечение, позволяющие автоматизировать процесс обеспечения отказоустойчивости и восстановления информации в контуре АСУ предприятия (АСУП) с минимальными временными затратами, результатом которых является повышение эффективности использования программно-аппаратного комплекса и повышение надежности в целом.

На защиту выносятся:

• Математические модели факторов отказоустойчивости и восстанавливаемости модулей информационных компонентов АСУП.

• Математическая модель оптимизации затрат на аппаратное обеспечение АСУП, распределения нагрузки информационных потоков и надежностных показателей универсальной реализации.

• Математическая модель определения затрат на обеспечение отказоустойчивости информационных системных хранилищ данных.

• Универсальный подход к преобразованию информационных структур, согласно которому создается отказоустойчивая АСУП с применением технологий виртуализации.

• Алгоритм модернизации информационной структуры АСУП путем внедрения модели в режиме реального времени с минимальной стоимостью обслуживания.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом аналитических и экспериментальных зависимостей. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения разработок на нескольких предприятиях.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Предложен новый универсальный подход к преобразованию информационных структур, согласно которому создается отказоустойчивая автоматизированная система управления информационными компонентами с применением технологий виртуализации и использованием всех преимуществ каждой задействованной технологии. Результатом является практически безотказная, экономически выгодная реализация, не требующая дополнительных вложений для покупки аппаратных средств. Также снижены требования к человеческому административному ресурсу. Данный метод не имеет ограничений на размер анализируемого комплекса и не зависит от существующей инфраструктуры. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения в ряде предприятий. Результаты внедрения и эксплуатации подтвердили работоспособность и эффективность разработанных методов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура работы соответствует списку перечисленных задач и содержит описание разработанных методов, моделей и алгоритмов.

В первой главе диссертации произведен анализ технологий резервирования информации в системах вычисления реального времени. Также системный анализ существующих программных инструментов виртуальных технологий полностью обосновывает необходимость их использования в информационных структурах промышленных предприятий с целью повышения надежности и оптимизации систем.

В зависимости от потребностей разработчиками программного обеспечения и операционных систем реализовано множество различных технологий обеспечения отказоустойчивости и высокой доступности информации. Технологии можно подразделить на два направления:

• Внутренние - производимые непосредственно в монолитной вычислительной среде на локальные устройства.

• Внешние - резервирование информации на иные устройства.

Каждый из вышеперечисленных способов не лишен преимуществ и недостатков. Общая структура технологий внутреннего резервирования изображена на рис. 1. При таком подходе методы резервирования информации подразделяются на несколько видов:

• DAS (Device Attached Storage) - системы, копирующие данные на внешний носитель. В данном случае программа автоматически производит копирование файлов на подключаемое устройство хранения.

• SAS (Server Attached Software) - системы, резервирующие полностью жесткий диск или файловую систему в виде архива. В случае резервирования жесткого диска локально создается так называемый файл-образ диска.

Вычислительная система

" ; :

тш

Рисунок 1. Внутренние системы резервирования.

Главным недостатком является полная уязвимость к аппаратным сбоям монолитной вычислительной системы.

Гораздо больший интерес представляют системы внешнего резервирования информации, подразумевая под собой архивацию на иные вычислительные системы и устройства по локальным вычислительным сетям, средствами кластеризации узлов и репликации информационных компонентов в режиме реального времени. Системы внешнего резервирования подразделяются на:

• NAS (Network Attached Storage) - сетевые устройства хранения. Все данные и их резервные копии размещаются на подключаемых сетевых ресурсах. NAS наиболее востребованная система резервирования, поскольку использует уже существующую сетевую архитектуру, что существенно удешевляет её стоимость.

• SAN (Storage Area Network) - сети хранения данных. Данные в такой сети размещены на отказоустойчивых сетевых ресурсах. Резервирование осуществляется «на лету». При организации сетей

хранения SAN используются сетевые отказоустойчивые RAID системы.

• НАС (High Available Cluster) - кластеры высокой доступности. Данные в такой системе хранятся на отдельном ресурсе или синхронизируются между двумя или более серверами.

Главными недостатками способов внешнего резервирования являются дополнительные материальные затраты организации архивирования на внешние устройства, отсутствие функциональной гибкости, потребность в одинаковом аппаратном и программном обеспечении в случае кластера. Полноценная структурная схема отказоустойчивости информации средствами внешних способов резервирования показана на рис. 2.

Вычислительная система

Вычислительная система

m

Ж Щ

----

ШК

W

Рисунок 2. Внешние системы резервирования.

На практике администраторам приходится использовать комбинирование нескольких систем резервирования. Такой подход связан с целым набором ограничений в современных системах резервирования. Универсальная модель, разработанная в диссертационной работе, в первую очередь направлена на совершенное резервирование информационных компонентов путем нетрадиционного подхода к существующим способам виртуализации, а именно создание целиковых виртуальных сред в виртуальных машинах родительской платформы. Сочетает гармонию преимуществ инструментов виртуализации Мировых производителей и предлагает использование новых способов, исключая недостатки и обеспечивая тем самым экономическую выгоду.

На мировом рынке информационных технологий на данный момент лидирующие позиции в области виртуализации и облачных технологий занимают всемирно известный Microsoft с бесплатным гипервизором Hyper-V, наиболее широко распространенный VMware и vSphere, а также компания Citrix с продуктами серий Хеп.

Подводя итоги, анализ показал, что в реальном времени не существует идеального средства виртуализации для обеспечения отказоустойчивости информационных компонентов структуры

предприятия путем стандартных методов. Именно поэтому разработанная модель представляет собой интеграцию \/М\лгаге в качестве родительской платформы с иными средствами виртуализации Хеп и НурегЛ/ для достижения максимальных результатов производительности.

Во второй главе разработаны модели факторов отказоустойчивости и восстанавливаемости модулей информационных компонентов, модель оптимизации затрат на аппаратное обеспечение, распределения нагрузки информационных потоков и надежностных показателей универсальной реализации, а также модель определения оптимизации затрат на обеспечение отказоустойчивости информационных системных хранилищ

В первую очередь для информационной структуры предприятия в целом, необходимо обозначить общую длительность Готказ возможности отказа функционирования модульных информационных компонентов. От сбоя и его устранения между временными периодами рабочего процесса зависит работоспособность пользовательской и административной управленческой системы. Обозначим допустимое время простоя, согласно условиям реального времени, в течение которого возможна остановка сервисов. В связи с этим возникает практическая необходимость в новой трактовке отказа с учетом допустимого времени простоя и возможности возобновления работоспособности информационной структуры. В этом случае под отказом понимается отказ, длительность которого превышает допустимое время простоя. Если есть возможность восстановить работоспособность в этот период времени, то можно считать что реального отказа не было. В результате анализа получаем формулу:

^Оотказ.) — Готказ. — Готказ. * Уотказ.С^отказ.) О)

, ГДе Готказ. * Уотказ.(Готказ.) - КОЛИЧвСТВО ВОССТЭНОВЛвННЫХ ОТКЭЗОВ, <Р (/отказ.) ~ общее число отказов.

Система резервирования используется для стабильно функционирующих вычислительных систем, поток отказов в которых есть величина постоянная, что приводит к экспоненциальному распределению отказов. Восстановление одного из компонентов вычислительной системы происходит по возникновению отказа (будем считать, что контроль идеальный), то есть по тому же экспоненциальной распределению. Таким образом, вероятность восстановления данных за допустимое время простоя:

Тртказ.

Уотказ.(^отказ.) = 1 ~ ^

, где Гвосст - время восстановления при единичном или массовом отказе.

Анализируя полученные выражения (1) и (2), можно определить среднее время наработки на отказ модульной информационной системы:

т т

. - _ 1 отказ.восст.ср __1 отказ.восст.ср

'отказ.восст.ср (.Уотказ~ ~ 77~ л _ Готкзз. (3)

УотказЛЛотказ../ /111 „т

Фотказ.(1 - 1 + е^восст.)

^отказ.восст.ср (Уотказ.) = 'Р отказ. * ^отказ.восст.ср * ® г»осст.

• где Тотказ.восст.ср - среднее время наработки на отказ модульной информационной системы.

Из этого выражения видно что, чем больше допустимое время Т'отказ. и меньше время восстановления Твосст., тем больше значение наработки на отказ. Выигрыш в безотказности за счет восстанавливаемости определяется соотношением:

(ТртказЛ

, Твосст.-' /'ТртказЛ

' отказ.восст.ср \.Готказ.^ 'отказ.восст.ср -I ^-1 (5)

И =-~---=-тр-= Фотказ. * е ^осо-У ^

' отказ.восст.ср ' отказ.восст.ср

, где ц - коэффициент выигрыша отказоустойчивости. Главным преимуществом использования технологий виртуализации является сокращение аппаратной составляющей структуры промышленного предприятия. Этот факт обусловлен возможностью размещения существующих пользовательских и административных сервисов на платформах виртуализации согласно снижению задействования центральных процессоров

Имеется возможность нахождения средней единичной загрузки каждого из рассматриваемых серверов по формуле в исследуемом временном интервале:

г _ Ег Од (7 ) /цч

ед.ср. ""у У '

, где Т - количество дней исследуемого периода, Сед -ежедневная средняя процессорная загрузка, Сед.ср - средняя загрузка за период времени Т конкретной единицы.

По результатам можно составить условие корректного распараллеливания информационных потоков:

"ед.ср.

ч

|хГ:Гсед.ср, 1'е[1,УУобщ.] (7)

• г — Смаке.

''общ.

, где Смакс. = 80% - максимально рекомендуемая производителями загрузка центральных вычислительных устройств, ЫобЩш - количество исследуемых физических объектов.

По полученным данным необходимо построить вектор коэффициента полезной производительности при простое центральных вычислительных устройств:

к =Седср* (8) ^макс.

где &польз.вект. - матрица коэффициентов полезной производительности по каждому информационному объекту.

Далее необходимо найти общий коэффициент пользы информационной структуры в целом по формуле:

У" к

, _ ¿¿1 = 1 ^польз.вект.; /рч

"-польз.общ. — 7Т

'»общ.

, ^польз.общ. - общий полезный коэффициент исследуемых физических объектов.

Примем максимальную требуемую загрузку каждого физического серверного объекта равную 60%.. Тогда имеется возможность определения вектора и среднего запаса вычислительных мощностей при предельных порогах возможной загрузки по формуле:

^ед.запас, = || ^ед.треб.—^ед.ср.£ |[ I ^ ^общ.] О®)

_ 1,1 Сед.запас.,-

^ед.запас.ср. ~ лг Vм/

''общ.

, где Сед.запас. - вектор запасов требуемых мощностей, Седзапасср. -средний запас, Сед треб - требуемый предел загрузки.

Полученные результаты показывают возможность нормализованного расширения информационной структуры с постоянной нагрузкой до Сед.Треб. и увеличением нагрузки на Седзапас.ср. без каких-либо дополнительных затрат. Найдем коэффициент запаса мощностей по формуле:

_ Zi Сед.запас.t

"запас.-.. г \1£-)

'"общ. иед.треб.

, где fc3anac - текущий коэффициент запаса.

Итогом вычислений является коэффициент информационного взаимодействия всех объектов рассматриваемой универсальной модели предприятия. Этот коэффициент учитывает все возможные факторы благоприятного функционирования информационных структурных систем и определяется по формуле:

^структур. ^польз.общ. ^запас. 0 3)

Для решения задач повышения надежности вычислительных процессов наиболее эффективным средством является кластеризация при консолидации серверного аппаратного обеспечения для возможности оперативного распределения нагрузки между устройствами.

Представим имеющееся количество программных информационных модульных компонентов, содержащих набор определенных сервисов Srv1( Srv2, Srv3 ...SrvMo6a( 0 e I). числом Мо6щ . Количество No6m. примем известным числом требуемых серверов Devj, Dev2, Dev3 ... DevNo6iu (i e I). Аппаратные характеристики

(оперативная память, процессор, ядерность, накопительная память массивов и т.д.) обозначим как ResltRes2,Res3 ...Resk (fc б К). Тогда для любого сервиса Srvj должно быть назначено Unitjk единиц ресурсов Resk. Каждый физический сервер при этом имеет статическую величину производительности Srvik ресурса Resk. Зададим Realj в качестве двоичной переменной, демонстрирующей текущее использование серверов, Costi - стоимость физического сервера. При этом Dev^ дает информацию о запущенных сервисах рассматриваемого сервера. Учитывая возможность наличия различающихся типов аппаратных ресурсов оптимальным решением является:

А^общ.

min. ^ Costi * Reali (14)

¡=i

Согласно полученной формуле можно получить следующие результаты:

N общ.

^ Devij = 1 (V/ е;) (15)

i=i

мобщ.

^ Unitjk * DeVij < Srvlk * Reali (Vi e /, Vfc e K) (16)

i=i

Real^ Devij G {0,1} (Vi e /, V/ e/) (17)

Результаты обосновывают минимизацию стоимости серверов, в то время как набор ограничений обеспечивает возможность распределения каждого сервиса и не превышает суммарную загрузку каждого физического кластерного узла.

Вышеописанная модель показывает потребность в ресурсах единичного сервиса как неизменяемую во времени величину. На практике нередки случаи изменения нагрузок при стечении времени. Добавим корректирующие условия. Зададим период Т в качестве последовательности временных интервалов t = (tut2>tз-т)- Тогда имеется возможность описать циклическую нагрузку времени в виде матрицы i/nitjkt для обозначения необходимого объема производительности сервиса Srvj в соответствии с ресурсом Resk с течением интервала t. Тогда матрица циклической загрузки имеет вид:

мо6щ.

^ Unitjkt * DeVij < Srvlk * Reali e v7 6 y, Vt e Г) (18)

Этим доказывается возможность сокращения текущего количества серверного аппаратного обеспечения и подтверждается необходимость внедрения технологий виртуализации. Также вышеописанная модель показывает возможность оптимизации

ресурсов. Элементы матрицы ЦпЩк1 напрямую зависят от аппаратных характеристик кластерных узлов и программно-выделенных ресурсов для виртуальных машин. Поэтому неравенство ип^к4 < Бгу^ для минимизации является верным. Модель учитывает параметры серверов, которые могут изменяться, например, при полном выходе из строя давно неподдерживаемого оборудования. В такой ситуации задание новых параметров должно являться результатом исследования изменения производительностей оборудования.

Рассмотрим все факторы, способные оказать влияние на изменение надежности рассматриваемой модели:

Введем обозначения:

7 - среднее время ремонта диска;

7 - среднее время ремонта систем хранения данных;

7 - среднее время ремонта сервера;

- - среднее время доставки комплектующих, вышедших из

5РаП

строя;

1

SDisk 1

flData

- среднее время наработки на отказ диска;

- среднее время наработки на отказ систем хранения данных; - - среднее время наработки на отказ сервера.

Отсюда среднее время наработки на отказ Л/общ серверов можно выразить выражением:

/

TDev — 1

\

-дп

+ 1

V

(19)

^Dev Ôpaii J J

, где TDev - среднее время наработки на отказ серверной составляющей предприятия.

Среднее время наработки на отказ логических RAID массивов дисков у Ыобщ серверов можно выражается по формуле:

/ \ Disk0бщ.

TDLsk — 1 —

Disk

$Disk + I "J J

1 WDisk + S FaiJ /

(20)

, где тв15к - среднее время наработки на отказ дисковых массивов. Среднее время наработки на отказ систем хранения данных аналогичным образом выражается с учетом всех возможных факторов, и представлена ниже, в виде формулы:

Оа£аобщ.

TD«t« = l- (21)

, где xData - среднее время наработки на отказ систем хранения данных рассматриваемой модели.

Тогда время наработки на отказ всего кластера тобщ состоит из произведения всех элементов надежности модели. Общая формула имеет вид:

тОбщ. = J"[ Ti = TDev * Tpisfc * г Data (22)

i

Для разработки математической модели определения оптимизации затрат на обеспечение отказоустойчивости информационных системных хранилищ универсальной модели в диссертационной работе необходимо понимать основания выбранных технологий. Модель подразумевает под собой кластер, а также имеет возможность восстановления данных и целиковых информационных элементов из резервных копий, находящихся внутри виртуальных машин кластерных узлов. Следовательно, структура представляет собой совокупность комбинирования существующих методов внутреннего и внешнего резервирования. Резервные копии хранятся согласно технологии DAS. Отказоустойчивость позиционируется по технологиям НАС. Исходя из этого суммарная стоимость затрат на эксплуатацию универсальной модели отказоустойчивой системы резервирования при определении наработки на отказ представляется следующей формулой:

^('период.) — Л^общ. * (Cost * поток. * ^период. + °пакет.)

{.Ркоп. ~ /^удал.) * "пакет. ^инф.поток. * ^период. * Дкоп.)

.поток. * ^период.

2

т , п — ипф.пинж. -иериид. „__

* ^период. + /?коп. *-2-) (23)

* 'и(й>Инф.поток. * ^период. -0 Ркоп. * ^инф.поток. * ^период.

1 2 "I" 2 * Ркоп. * ^инф.поток. * ^период.

, где а)Инф.поток. - средний поток информационных данных, Тпери0д. -временной период потоков информации, сгпакет. - тариф для

копируемого пакета данных, /?удал - поток копируемых данных, Cost -стоимость хранилища, ßKon - поток копируемых данных, Ыобщ -количество объектов кластерной вычислительной системы.

Определим время восстановления модульного информационного компонента в случае сбоя по аппаратным причинам или в случае человеческой ошибки при административных работах. Дадим математическое определение общему времени восстановления. Временем восстановления Твосстобщ. является суммарные временные промежутки, требуемые каждой задействованной технологи для определения сбоя Гопредел.. реакции для его устранения Греакц и самого периода восстановления информации Твосст. Получаем следующую формулу:

^восст.общ. ^определ. Греакц. ^восст. (24)

Согласно наблюдениям при искусственно созданных информационных сбоях в работе модели и нагрузкам центральных вычислительных процессоров, время определения сбоя Гопред(;л равняется от Топределмин. = 10 до Гопредел макс. = 15 секунд. При этом время реакции кластера Греакц на перезапуск клона информационного виртуального модульного компонента с учетом загрузки операционной системы и запуска всех необходимых служб принимает значение в периоде от Греакцмин = 32 до Греакцмакс. = 41 секунды. Время восстановления прямо пропорционально объему компонента и реальной процессорной нагрузки. Коэффициент информационного взаимодействия всех объектов рассматриваемой универсальной модели предприятия Агструктур = 0.9056, а это значит, что процессорного времени хватает с избытком и временные потери, связанные центральными вычислениями, равняются нулю. Родительские гипервизоры VMware ESXi расположены на высокоскоростных RAID массивах из шестнадцати высокоскоростных жестких дисков на интерфейсе SAS, объединенных в уровень 10. По предварительным оценкам скорость чтения и записи таких массивов колеблется в пределах от швосстмин = 250 до ывосстмакс. = 550 мегабайт в секунду. Тогда общее время восстановления можно представить в виде интегральной суммы по формуле:

копредел, макс. Греакц. макс

1 восст.общ. I 1определ.иь I Греакц. ^

J ^определ.^ j ^f

I редел, м и н. ' ^восст

J /

*определ.мин. 'реакц.мин.

^восст.макс. 1

^ВОССТ. А^восст.мин.

-dcoBOCCT

где совосст - информационный поток чтения/записи при восстановлении модульного информационного компонента, V -размер восстанавливаемой виртуальной машины.

Практические результаты промежуточных тестовых испытаний восстановления представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Результаты искусственных тестовых испытаний восстановления

модульных информационных компонентов.

№ Объект Размер V, GB. Время устранения сбоя ^восст.общ.» Сек.

1 Primary Domain Controller 17,581 98

2 Virtual IP ATS Asterisk 9,438 72

3 Primary DHCP 3,746 63

4 Proftpd Server 56,894 214

5 File Server 827,493 2412

6 MySQL Server 25,839 117

7 Terminal Server 381,806 1007

8 WEB Server 45,857 159

9 Secondary Domain Controller 16,749 89

10 OpenVPN Server 7,573 65

Проведенный анализ позволил определить основные аспекты построения вычислительных комплексов в системах информационной обработки, а также основные проблемы и приемы распараллеливания алгоритмов.

Рассмотрены факторы отказоустойчивости модулей информационных компонентов восстанавливаемых систем с определением среднего времени наработки на отказ.

Построена математическая модель оптимизации затрат аппаратной составляющей информационных систем промышленных предприятий в реальном времени.

Разработан механизм автоматического равномерного распределения нагрузок между кластерными узлами в случае аппаратных сбоев с целью достижения наиболее эффективных производительностей. Определено время наработки на отказ всего кластера и каждой составляющей общего времени.

Разработана математическая модель определения затрат на обеспечение отказоустойчивости информационных системных хранилищ и сформированы ориентированные значения параметров обработки по файлам в соответствии с метрологией операционных систем реального времени при общем числе операций.

Смоделирована математическая составляющая виртуальных машин распараллеленной информационной обработки на основе многоядерных процессоров. Произведена оценка эффективности встроенных управляемых систем виртуальных машин на основании реализации компьютерной арифметики.

В третьей главе диссертации ставится и решается задача создания универсальной модели обеспечения отказоустойчивости и алгоритма внедрения на предприятии в режиме реального времени без опасений потери информации, а также возможных дополнительных материальных затрат.

Основная методика обеспечения отказоустойчивости представляет собой некоторое количество кластерных физических узлов. Единицы кластера обеспечивают восстановление при отказе путем постоянной репликации информации в режиме реального времени. Средой передачи информации являются локальные вычислительные сети.

Модифицированная модель представляет число кластерных узлов равное No6lu. = (Л/мин. + NTpe6.), где Л/мин. = const = 3 и NTpe6. > 0. В масштабах предприятия использование меньшего числа физических единиц нецелесообразно. Возможности потери информации высоки, а поэтому заслуживают пристального внимания. Распараллеленные репликационные потоки целиковых виртуальных информационных структур позволяют претерпевать сбои при выходе из строя целых единиц кластера без ущерба информации и рабочему процессу. Структура системы представлена на рис. 3.

J E5Xj-iT|

\

Каждый из сегментов представляет собой самостоятельный объект. Модульная архитектура позволяет располагать физические сегменты вместе или по раздельности. При потере связи с одним из них на остальные средствами ЛВС передается сообщение о прекращении репликации информационных компонентов до тех пор, пока узел не будет восстановлен после сбоя, ошибки со стороны человеческого фактора или простого выключения из сети.

На программном уровне физических узлов выступают гипервизоры средств виртуализации \/М\л/аге ЕБХк Аппаратная составляющая серверного оборудования абсолютно идентична,

благодаря чему имеется возможность задействования предлагаемых технологий, таких как возможность задействования дополнительных процессорных инструкций и непрерывная доступность. Гипервизоры ЕБХ! выступают в качестве родительских платформ верхнего уровня. Виртуальными машинами внутри являются целиковые готовые виртуальные информационные структуры на иных вторичных гипервизорах Нурег-У и ХСР. Такая методика позволяет с легкостью варьировать инструментами виртуализации, задействовать все сильные стороны каждой из технологий различных производителей, переносить и восстанавливать в кратчайшие сроки целые виртуальные структуры.

Вторичные гипервизоры являются ядрами между родительскими платформами ЕБХ! и конечными виртуальными машинами, несущими информационную ценность. Такая методика создания виртуальной информационной структуры с применением иных гипервизоров в качестве промежуточных интерфейсов позволяет задействовать технологии паравиртуализации для повышения производительности гостевых операционных систем на вторичных гипервизорах. Подход изображен на рис. 4.

Рисунок 4. Кластерный узел вторичных гипервизоров. Разработанная методика позволяет организовать надежную отказоустойчивую кластерную информационную структуру промышленного предприятия без опасения потерь информации.

Алгоритм внедрения модели включает в себя следующие шаги:

• Первым шагом необходимо проанализировать рассматриваемый объект M информационной структуры для разработки стратегии внедрения модели.

• Определим схожее физическое оборудование для возможности задействования специфических инструментов виртуализации объекта М.

• Построим матрицу А размерностью ia * ja и заполним ее нулями и единицами. Количеством столбцов ja является набор сильно отличающегося физического оборудования, а количеством строк ia представлено число схожих серверных объектов.

• Просуммируем все элементы матрицы А для определения числа всех рассматриваемых объектов.

• Представим существующее число составляющей аппаратного оборудования переменной ЛГобщ и проверим условие реализуемости

Мобщ. = (W„„„. + Nrpc6), где ЛГМИН. = const = 3 и ЛГтре6. > 0.

• Далее необходимо произвести оценку файловых хранилищ, количества жестких дисков, их емкости и логические RAID массивы и заполнить матрицу В размерностью ib *jb. Принцип заполнения матрицы аналогичен структуре формирования матрицы А.

• Сформируем матрицу С размерность ic * jc (ic = 1) содержащую емкостные объемы используемых монолитных операционных систем.

• Найдем общую требуемую емкость к файловому хранилищу Собщ. методом сложения всех элементов матрицы С.

• Проанализируем возможность соотношения элементов матрицы С и общей требуемой емкости Собщ с элементами матрицы В, содержащие числовые данные общих емкостей файловых хранилищ и логических массивов. При этом должно соблюдаться условие Cicjc < BibJb и Со6щ. < Bibjb.

• При выполнении условия имеется возможность определения NTpe6 , чтобы окончательно утвердить стратегию правильности выбора нужного числа кластерных узлов модифицированной информационной модели ЛГобщ.-

• Следующим шагом построим вектор ESXi размерностью М0бщ. * kESXi, который будет содержать информацию об требуемой емкости вторичных гипервизоров. Тогда элементами матрицы ESXi будут вектора ХСР размерностью 1 * кХСР и Hyper - V размерностью

1 * ^нурег-v. причем сумма элементов векторов должна быть меньше

^общ.'

• Можно приступать к консолидации серверов. Это значит временный перенос существующих сервисов монолитных операционных систем на подобные системы.

• После освобождения одного из серверов начинаем перенос виртуальных машин на родительские гипервизоры путем разворачивания новых операционных систем с установкой, настройкой и возвращением сервисов или конвертацией в виртуальные машины существующих. Полученные виртуальные машины интегрируются на вторичных гипервизорах. Методика расположения подробно описана выше в главе 3.1.

• Производим перенос и проверяем общую емкость перенесенных элементов до тех пор пока выполняется условие суммы элементов строки матрицы ESXi меньше С0бщ., так как суммарный объем виртуальных машин не должен превышать заявленную емкость.

• При превышении условия начинаем консолидацию следующего сервера по аналогии. И так до тех пор, пока матрица ESXi с векторами ХСР и Hyper - V не будет заполнена полностью.

• Заключительными этапами будет служить рациональное распределение нагрузки внутри вторичных гипервизоров родительских платформ и корректировка матрицы ESXi. Требуется производить перенос информационных модульных компонентов до тех пор, пока сумма векторов элементов ХСР и Hyper - V не будет приблизительно равна друг другу.

• После уравнивания остается запас общей емкости. Именно этот запас отводится под нужды технологии DRM для сохранения максимально возможного числа резервных копий информационных модульных компонентов в соответствии с техническим заданием модернизированной архитектуры информационной структуры.

• Завершение алгоритма модернизации архитектуры объекта М.

Разработанный алгоритм в сокращенном виде можно представить в виде блок схемы на рис. 5. Он достаточно прост в использовании и при правильном последовательном выполнении всех шагов не доставит каких-либо неудобств даже необученному штатному сотруднику средней квалификации. Также технология DRM напрямую зависит от объема информационных хранилищ. Для возможности сохранения и поддержания актуальных копий информации хранилища должны иметь достаточный запас. В классической схеме

отказоустойчивости возможное количество резервных копий прямо пропорционально Собщ. К плюсам модели можно отнести низкую стоимость средств накопления информации в реальном времени. Поэтому при дополнительных небольших вложениях имеется возможность содержания желаемого количества копий, требуемых объектов резервирования.

Рисунок 5. Алгоритм модернизации.

Структура системы резервирования является доработанной технологией виртуализации В диссертационной работе данная

технология является главной составляющей системы общей отказоустойчивости. Она представлена на рис. 6. и состоит из трех основных частей — гипервизора, модуля управления и модуля исполнения.

У У

Рисунок 6. Структура системы резервирования.

Для информационного обмена между модулями системы резервирования используются сообщения. Сообщения создаются исполнительным модулями и поступают на вход гипервизора. Программы через специальный исполнительный модуль так же могут создавать сообщения. Далее сообщение двигается по цепочке управления от модуля управления на соответствующий исполняемый модуль. После управляющего воздействия его результат возвращается на гипервизор и повторно анализируется модулями управления. По результатам анализа модуль управления повторяет управляющий цикл или закачивает обработку, игнорируя сообщение.

По итогам исследований предложена практическая реализация кластерной информационной модели с гипервизорами ЕЭХ1 в качестве родительских платформ верхнего уровня и целиковыми виртуальными информационными структурами на иных вторичных гипервизорах НурегЛ/ и ХСР внутри виртуальных машин для возможности использования всех преимуществ каждой из технологий различных производителей, а также возможности восстанавливать целые виртуальные структуры с минимальными затратами. Такая методика позволяет организовать надежную отказоустойчивую кластерную информационную структуру промышленного предприятия без опасения потерь информации.

Разработана структура системы резервирования, представленная доработанной технологией виртуализации ОРЧМ. Создан алгоритм резервирования файла ресурсным модулем и восстановления файлов.

Произведена оценка ярусной параллельной формы представления алгоритмов информационных потоков с обоснованием основных коэффициентов алгоритмических и системных загрузок.

Проанализирована реализуемость формализация структуры ЯПФ распараллеленного информационного модуля, представленного в виде матрицы значений.

Рассмотрена математическая модель случайного состояния отказоустойчивости универсальной реализации. Найдены значения, удовлетворяющие нормировочным и начальным условиям системы, а также показатели надежности восстановления технических средств, при наличии искусственных профилактических испытаний системы отказов.

Определены требования по производительности встроенной системы информационной обработки и условия реализуемости процесса встроенной системы в АСОИУ. Найдена полная реальная производительность вычислительного комплекса, определяемая ее архитектурой, особенностями структуры обработки, быстродействием используемой электронно-компонентной базы, эффективностью системного и прикладного программного обеспечения.

В четвертой главе рассматриваются результаты модернизации информационных структур на примере реальных внедрений на предприятиях.

Согласно универсальному подходу к преобразованию создается отказоустойчивая автоматизированная система управления информационными компонентами с применением технологий виртуализации и использованием всех преимуществ каждой задействованной технологии.

Рассмотрим снижение экономических затрат согласно исследуемой информационной структуре организации «СВ-ТРАНСЭКСПО». Под экономическим обоснованием подразумевается разность сумм полных затрат до и после внедрения универсальной модели информационной структуры. Для определения необходимо проанализировать совокупность общих затрат 5 всех объектов рассматриваемой физической единицы при исходном условии количества аппаратных единиц 5аппарат. в размере Ыоб1Я затратами на электричество 5электр.. Составим общую формулу нахождения итоговых суммарных затрат 5общ в соответствии со всеми объектами рассматриваемой единицы, принимая во внимание возможность иных затрат:

Nобщ.

1€[1,Л/общ.] (26)

= Л^о6щ.*5 + Д5 (27)

, где 5 - суммарные затрат всех объектов рассматриваемой физической единицы, Мобщ. - количество объектов, 5о6щ - итоговые суммарные затраты рассматриваемой информационной структуры, Д5 - иные виды затрат.

Рассмотрим возможность оптимизации затрат путем использования модифицированного алгоритма. Результаты исследований математических моделей, разработанных в главе 2, доказали возможность использования количества физических серверных единиц равного Мобщ = 3. Рассмотрим перечень необходимых материальных вложений при внедрении в табл. 2:

Таблица 2.

Затраты на информационную структуру с учетом внедрения.

№ Объект Стоимость, руб. Количество, шт.

1 Сервер Supermicro Intel Dual Xeon ^аппарат. = 285 200,00 ^общ.2

2 Источник бесперебойного питания АРС 5ибп. = 57 500,00 Лобщ.2

3 Электричество s ^электр. Мобщ.2

4 VMware vSphere 5 Essential Plus •W = 134 000,00 1/^лиц.

Для возможности использования инструментов High Availability и Data Recovery необходимо иметь лицензию VMware vSphere 5 Essential Plus, предоставляющую возможность использования на ^лиц. = 3 серверах. Составим формулу итоговых суммарных затрат на использование модифицированной модели с задействованием технологий виртуализации по формулам (26) и (27):

I «5*лиц \

•^общ. — ^общ. * I ^аппарат. + ^ибп.+^электр. + Jj I = 1 162 100 + 3 * 5электр.

Экономия использования после внедрения составляет 551 400,00 рублей без учета затрат на электроэнергию, что составляет около 30% экономии. Обоснование актуальности использования разработанной в диссертационной работе структурной модели подтверждено.

После внедрения снизились требования к административному ресурсу со стороны обслуживающего персонала. Ранее необходимыми являлись профилактические мероприятия, ручное резервное копирование специализированным требующим лицензирования программным обеспечением информации на случай сбоя. Любые технические неполадки доставляли массу трудностей системным администраторам по оперативному восстановлению информации. В любых исходах рабочий процесс был прерван и имели место быть потери информации. В реальном времени годовые расходы на обслуживание аппаратного обеспечения сокращены на сумму около 480 000 рублей, а далеко не предельные загрузки серверной составляющей позволяют будущее наращивание развития информационной структуры.

В заключении представлены основные результаты работы.

Приложение содержит документы об использовании результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ способов и технологий резервирования информации в системах вычисления реального времени доказывают необходимость доработки существующих способов из-за узкой технологической направленности с ориентацией на наиболее распространенные организации информационных структуры.

2. Сравнение наиболее распространенных платформ виртуализации доказывает потребность использования комбинированных способов связки коммерческих и некоммерческих продуктов, а также модернизации существующих методов применения с учетом их сильных и слабых сторон.

3. Проведенный анализ позволили определить основные аспекты построения вычислительных комплексов в системах информационной обработки, а также основные проблемы и приемы распараллеливания алгоритмов

4. Рассмотрены факторы отказоустойчивости восстанавливаемых систем, построена математическая модель оптимизации затрат аппаратной составляющей, создана математическая модель определения затрат на обеспечение отказоустойчивости информационных системных хранилищ.

5. Разработан механизм автоматического равномерного распределения нагрузок между кластерными узлами в случае аппаратных сбоев с целью достижения наиболее эффективных производительностей и определено время наработки на отказ всего кластера и каждой составляющей общего времени.

6. Предложена практическая реализация универсальной кластерной информационной модели, позволяющая организовать надежную отказоустойчивую информационную структуру промышленного предприятия без опасения потерь информации.

7. Проведены практические экспериментальные испытания реализации разработанных методик, моделей и алгоритмов на примерах модернизаций реальных информационных структур промышленных предприятий.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Статьи в журналах ВАК:

1. Сокол A.A. Модель определения затрат на обеспечение отказоустойчивости хранилищ данных / Николаев А.Б., Сокол A.A., Замыцких П.В. // Промышленные АСУ и контроллеры. - М., 2013. - № 10.-С. 46-51.

Статьи в сб. науч. тр. и других изданиях:

2. Сокол A.A. Технология согласования электронных документов / Сокол A.A., Замыцких П.В. // Методы управления потоками в транспортных системах: сб. науч. тр. МАДИ / - М.: МАДИ, 2009. - С. 95-98.

3. Сокол A.A. Автоматизация электронного документооборота кафедры / Николаев А.Б., Сокол A.A., Замыцких П.В. // Модернизация технологий управления в автотранспортных системах: сб. науч. тр. студ. и асп. ф-та "Управление" МАДИ / - М.: Техполиграфцентр, 2010. -С. 315-320.

4. Сокол A.A. Надежность и валидность тестирования персонала наукоемких производств / Ивахненко A.M., Карасев A.A., Свечников A.A., Сокол A.A., Якунин П.С. // Автоматизация систем управления персоналом: сб. науч. тр. МАДИ /- М.: МАДИ, 2011. - С. 3-11.

5. Сокол A.A. Динамическая компоновка системы имитационного моделирования / Карасев A.A., Приходько Л.В., Сокол A.A., Ярцев М.И. // Имитационное моделирование систем управления / - М.: МАДИ, 2012.-С. 7-12.

6. Сокол A.A. Использование языка визуального моделирования для представления статических диаграмм структуры классов имитационной модели / Брыль В.Н., Васильев Д.А., Приходько Л.В., Сокол A.A., Ягудаев Г.Г. // Имитационное моделирование систем управления /- М.: МАДИ, 2012. - С. 32-36.

7. Сокол A.A. Подходы к моделированию автоматизированных систем управления документами промышленных предприятий / Замыцких П.В., Сокол A.A. // Имитационное моделирование систем управления/-М.: МАДИ, 2012.-С. 104-106.

Подписано в печать: 10.10.2013 Тираж: 100 экз. Заказ № 984 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

СОКОЛ АНДРЕЙ АНДРЕЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ

В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИЙ ВИРТУАЛИЗАЦИИ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

ДИССЕРТАЦИИ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Юрчик Петр Францевич

Москва-2013

Оглавление

Введение...............................................................................................................4

1. Анализ систем обеспечения отказоустойчивости информационных компонентов.......................................................................................................11

1.1. Место и роль виртуализации в управлении предприятием................11

1.2. Актуальность применения технологий виртуализации в системах реального времени...........................................................................................18

1.3. Анализ технологий архивирования в системах вычисления реального времени............................................................................................................28

1.4. Анализ технологий виртуализации реального времени.......................33

1.5. Надежность информационных систем..................................................38

1.6. Основные характеристики, достоинства и недостатки виртуальных машин...............................................................................................................46

Выводы............................................................................................................49

2. Разработка методов и моделей обеспечения отказоустойчивости информационных компонентов АСУП.............................................................51

2.1. Эксплуатация интегрированных АСУП...............................................51

2.2. Факторы отказоустойчивости модулей информационных компонентов АСУП...............................................................................................................53

2.3. Математическая модель оптимизации затрат на аппаратное обеспечение АСУП.........................................................................................55

2.4. Математическая модель распределения информационной нагрузки в АСУП...............................................................................................................62

2.5. Математическая модель определения затрат на обеспечение отказоустойчивости информационных хранилищ данных АСУП...............71

2.6. Математическая модель виртуальной машины и оценка эффективности использования системы виртуальных машин.....................79

2.7. Информационно-логические модели процессов распараллеливания при использовании технологий паравиртуализации.....................................89

Выводы.............................................................................................................93

3. Моделирование процессов распараллеленной информационной обработки в АСУП.............................................................................................94

3.1. Разработка структуры универсальной реализации отказоустойчивости

информационных компонентов АСУП..........................................................94

3.2. Структура системы резервирования для обеспечения отказоустойчивости АСУП...........................................................................103

3.3. Ярусная параллельная форма представления алгоритмов информационных потоков............................................................................111

3.4. Математическая модель отказоустойчивой реализации....................115

3.5. Оценка требований по производительности встроенной в АСУП системы информационной обработки..........................................................119

Выводы..........................................................................................................123

4. Результаты практического внедрения и экспериментального исследования разработанных моделей и алгоритмов.....................................125

4.1. Внедрение в организации «СВ-ТРАНСЭКСПО»...............................125

4.2. Экономический эффект от внедрения полученных результатов.......131

4.3. Оценка факторов отказоустойчивости................................................135

4.4. Оптимизации затрат на обеспечение отказоустойчивости информационных системных хранилищ......................................................136

4.5. Внедрение в организации «Климат-Контроль-Инжиниринг»...........139

4.6. Экономический эффект внедрения..................................................... 148

4.7. Распределение нагрузки информационных потоков в АСУП...........150

Выводы...........................................................................................................158

Заключение.......................................................................................................160

Литература........................................................................................................161

Введение

Актуальность проблемы

В реальном времени обеспечение отказоустойчивости информации и оптимизация информационной структуры являются одними из наиболее востребованных направлений развития информационных технологий. Ежедневно разработчики программного обеспечения совершенствуются программные способы и методики. Мировые производители аппаратных составляющих предлагают новые усовершенствованные комплектующие под данные задачи. Особое внимание заслуживают технологии виртуализации, предоставляющие огромное множество инструментов оптимизации, распределения информационных нагрузок и созданию интеллектуальных отказоустойчивых систем.

Основной причин потерь информации на промышленных предприятиях являются слабая совместимость существующих способов резервирования информации, сложность административного управления, а также особые требования к квалификации обслуживающего персонала. В дополнение к выше описанным проблемам относятся некорректное технологическое функционирование и безопасность в целом.

В связи с увеличением управленческих задач и повышению их технологических сложностей существует потребность в автоматизированных решениях управления информационной структурой предприятий. Необходимо модернизировать существующие модели и алгоритмы обеспечения отказоустойчивости информационных компонентов с целью совершенствования классических способов и методик, а также интеграции друг с другом для возможности задействования всех преимуществ.

Цель и основные задачи исследования

Целью диссертационной работы является повышение эффективности управления предприятием, за счет создания универсальной отказоустойчивой модели управления предприятием в реальном масштабе времени с использованием технологий виртуализации для обеспечения

отказоустойчивости информации и минимизации существующего оборудования.

Для реализации поставленной цели исследования в диссертации должны быть решены следующие задачи:

• Анализ существующих способов, методик и технологий резервирования информации реального времени. Системный анализ существующих продуктов и технологий виртуализации для использования их преимуществ.

• Изучение факторов отказоустойчивости информации. Построение математической модели оптимизации затрат аппаратного обеспечения, информационных хранилищ данных и виртуальных машин. Оценка эффективности встроенных информационно-управляемых систем.

• Разработка методики преобразования серверного оборудования с применением технологий виртуализации для повышения эффективности использования вычислительных ресурсов.

• Создание математической модели распределения вычислительных ресурсов.

• Построение универсальной модели реализации отказоустойчивости информационных компонентов. Разработка ярусной параллельной формы представления алгоритмов информационных потоков.

• Анализ и обработка данных, полученных в результате искусственных испытаний. Доказательство выбранной стратегии отказоустойчивой модели в ходе практического внедрения.

Методы исследования

В работе используются методы математического моделирования, методы оптимизации, математической статистики и теории вероятностей. При анализе

полученных результатов использованы современные методы обработки данных.

Научная новизна

Научную новизну работы составляют модели, алгоритмы, методы и методическое обеспечение, позволяющие автоматизировать процесс обеспечения отказоустойчивости и восстановления информации в контуре АСУ предприятия (АСУП) с минимальными временными затратами, результатом которых является повышение эффективности использования программно-аппаратного комплекса и повышение надежности в целом.

На защиту выносятся:

• Математические модели факторов отказоустойчивости и восстанавливаемости модулей информационных компонентов АСУП.

• Математическая модель оптимизации затрат на аппаратное обеспечение АСУП, распределения нагрузки информационных потоков и надежностных показателей универсальной реализации.

• Математическая модель определения затрат на обеспечение отказоустойчивости информационных системных хранилищ данных.

• Универсальный подход к преобразованию информационных структур, согласно которому создается отказоустойчивая АСУП с применением технологий виртуализации.

• Алгоритм модернизации информационной структуры АСУП путем внедрения модели в режиме реального времени с минимальной стоимостью обслуживания.

В первой главе диссертации произведен анализ технологий резервирования информации в системах вычисления реального времени. Также системный анализ существующих программных инструментов виртуальных технологий полностью обосновывает необходимость их использования в

информационных структурах промышленных предприятий с целью повышения надежности и оптимизации систем.

Подводя итоги, анализ показал, что в реальном времени не существует идеального средства виртуализации для обеспечения отказоустойчивости информационных компонентов структуры предприятия путем стандартных методов. Именно поэтому разработанная модель представляет собой интеграцию УМ\¥аге в качестве родительской платформы с иными средствами виртуализации Хеп и Нурег-У для достижения максимальных результатов производительности.

Во второй главе разработаны модели факторов отказоустойчивости и восстанавливаемости модулей информационных компонентов, модель оптимизации затрат на аппаратное обеспечение, распределения нагрузки информационных потоков и надежностных показателей универсальной реализации, а также модель определения оптимизации затрат на обеспечение отказоустойчивости информационных системных хранилищ.

Проведенный анализ позволил определить основные аспекты построения вычислительных комплексов в системах информационной обработки, а также основные проблемы и приемы распараллеливания алгоритмов.

I

Рассмотрены факторы отказоустойчивости модулей информационных компонентов восстанавливаемых систем с определением среднего времени наработки на отказ. Построена математическая модель оптимизации затрат аппаратной составляющей информационных систем промышленных предприятий в реальном времени.

Разработан механизм автоматического равномерного распределения

нагрузок между кластерными узлами в случае аппаратных сбоев с целью

достижения наиболее эффективных производительностей. Определено время

наработки на отказ всего кластера и каждой составляющей общего времени.

Разработана математическая модель определения затрат на обеспечение

отказоустойчивости информационных системных хранилищ и сформированы

ориентированные значения параметров обработки по файлам в соответствии с

7

метрологией операционных систем реального времени при общем числе операций.

Смоделирована математическая составляющая виртуальных машин распараллеленной информационной обработки на основе многоядерных процессоров. Произведена оценка эффективности встроенных управляемых систем виртуальных машин на основании реализации компьютерной арифметики.

В третьей главе диссертации ставится и решается задача создания универсальной модели обеспечения отказоустойчивости и алгоритма внедрения на предприятии в режиме реального времени без опасений потери информации, а также возможных дополнительных материальных затрат.

Основная методика обеспечения отказоустойчивости представляет собой некоторое количество кластерных физических узлов. Единицы кластера обеспечивают восстановление при отказе путем постоянной репликации информации в режиме реального времени. Средой передачи информации являются локальные вычислительные сети.

По итогам исследований предложена практическая реализация кластерной информационной модели с гипервизорами Е8Х1 в качестве родительских платформ верхнего уровня и целиковыми виртуальными информационными структурами на иных вторичных гипервизорах Нурег-У и ХСР внутри виртуальных машин для возможности использования всех преимуществ каждой из технологий различных производителей, а также возможности восстанавливать целые виртуальные структуры с минимальными затратами. Такая методика позволяет организовать надежную отказоустойчивую кластерную информационную структуру промышленного предприятия без опасения потерь информации.

Рассмотрена математическая модель случайного состояния отказоустойчивости универсальной реализации. Найдены значения удовлетворяющие нормировачным и начальным условиям системы, а также

показатели надежности восстановления технических средств при наличии искусственных профилактических испытаний системы отказов.

Определены требования по производительности встроенной системы информационной обработки и условия реализуемости процесса встроенной системы в АСОИУ. Найдена полная реальная производительность вычислительного комплекса, определяемая ее архитектурой, особенностями структуры обработки, быстродействием используемой электронно-компонентной базы, эффективностью системного и прикладного программного обеспечения.

В четвертой главе рассматриваются результаты модернизации информационных структур на примере реальных внедрений на предприятиях. Согласно универсальному подходу к преобразованию создается отказоустойчивая автоматизированная система управления информационными компонентами с применением технологий виртуализации и использованием всех преимуществ каждой задействованной технологии.

После внедрения снизились требования к административному ресурсу со стороны обслуживающего персонала. Ранее необходимыми являлись профилактические мероприятия, ручное резервное копирование специализированным требующим лицензирования программным обеспечением информации на случай сбоя. Любые технические неполадки доставляли массу трудностей системным администраторам по оперативному восстановлению информации. В любых исходах рабочий процесс был прерван и имели место быть потери информации. В реальном времени годовые расходы на обслуживание аппаратного обеспечения сокращены й, а далеко не предельные загрузки серверной составляющей позволяют будущее наращивание развития информационной структуры.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов,

изложенных в работе, определяется корректным использованием современных

математических методов, согласованным сравнительным анализом

9

аналитических и экспериментальных зависимостей. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения разработок на нескольких предприятиях.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Предложен новый универсальный подход к преобразованию информационных структур, согласно которому создается отказоустойчивая автоматизированная система управления информационными компонентами с применением технологий виртуализации и использованием всех преимуществ каждой задействованной технологии. Результатом является практически безотказная, экономически выгодная реализация, не требующая дополнительных вложений для покупки аппаратных средств. Также снижены требования к человеческому административному ресурсу. Данный метод не имеет ограничений на размер анализируемого комплекса и не зависит от существующей инфраструктуры.

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения в ряде предприятий. Результаты внедрения и эксплуатации подтвердили работоспособность и эффективность разработанных методов, чем доказывается актуальность диссертационной работы.

Структура работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных моделей, методик и алгоритмов.

Материалы диссертации отражены в 7 печатных работах.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 175 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 22 таблиц, список литературы из 124 наименований и приложение.

1. Анализ систем обеспечения отказоустойчивости информационных компонентов

1.1. Место и роль виртуализации в управлении предприятием

Роль информационных технологий несет особое значение в сфере процессов информационных потоков промышленного предприятия. Качественны