автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование распределения ресурсов в интерактивных сервисах инфокоммуникационных сетей

На правах рукописи

ПАРФЁНОВ ДЕНИС ИГОРЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ В ИНТЕРАКТИВНЫХ СЕРВИСАХ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ

СЕТЕЙ

05.12.13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ИЮЛ 2014

Самара — 2014

005551389

005551389

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» (ОГУ).

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Болодурина Ирина Павловна

Орлов Сергей Павлович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой вычислительной техники

Сухов Андрей Михайлович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», профессор кафедра суперкомпьютеров и общей информатики

Ведущая организация федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет»

Защита состоится «12» сентября 2014 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 219.003.02, созданного на базе федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» по адресу: 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» http://www.psuti.ni/science/diss-ob/a:18/.

Автореферат разослан «_»

Ученый секретарь диссертационного совета

2014 г.

Мишин Дмитрий Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время область применения интегрированных информационных систем (ИС) не ограничивается только обработкой, хранением и передачей значительных объемов данных. Одной го задач ИС является поддержка бесперебойной работы интерактивных сервисов в условиях постоянного роста потребления вычислительных ресурсов при их ограниченном объеме. Таким образом, с помощью современных средств телекоммуникаций и связи необходимо решить задачу оптимизации использования доступных вычислительных ресурсов с учетом особенностей их востребованности, включая неоднородность поступающих потоков запросов пользователей, и физические ограничения оборудования.

Проблема ограниченности ресурсов особенно актуальна для образовательных учреждений, поддерживающих собственные ИС. В ВУЗе вычислительные ресурсы ИС востребованы множеством пользователей, осуществляющих одновременный доступ к нескольким сервисам. Одной из наиболее востребованной составляющей ИС ВУЗа является система дистанционного обучения (СДО), поддерживающая работу нескольких разнородных приложений. Следовательно, для обеспечения непрерывного доступа к ИС требуется решить проблему эффективного распределения между сервисами ограниченного объема ресурсов. В настоящее время нет универсальных решений, способных одновременно осуществлять распределение и балансировку нагрузки между различными мультимедийными сервисами в условиях физических ограничений по вычислительным ресурсам.

Для оценки эффективности существующих решений, с учетом качества предоставляемых услуг, необходима разработка соответствующих моделей и применение наукоемких теоретических и экспериментальных методов изучения. В настоящее время, в исследуемой нами области, широко используется математический аппарат теории систем массового обслуживания (СМО). Данной проблеме посвящены фундаментальные работы таких авторов как JI. Клейнрок, С.А. Майоров, А.П. Пшеничников, Т.Л. Саати, Е.С. Вентцель, A.JI. Лифшиц, А.К. Эрланг и ряда других. Ведущее место в общей математической модели СМО занимает модель входящего потока заявок, поступающих в систему на обслуживание. Потоки передаваемых данных в мультимедийных приложениях отличаются повышенными требованиями к параметрам качества обслуживания (QoS), таких как, задержка пакетов, скорость передачи, а также пропускная способность каналов связи.

Указанные проблемы предлагается решать посредством применения современной концепции облачных вычислений (Cloud Computing), в соответствии с которой конечным пользователям предоставляется доступ к виртуальным ресурсам единой системы, осуществляющей контроль, распределение и балансировку нагрузки между вычислительными узлами и приложениями. При этом для обеспечения выполнения ограничения по общему объему вычислительных ресурсов предлагается разработать дополнительные модели и алгоритмы, оптимизирующие размещение объектов и данных ИС, а

также формирующие порядок обслуживания запросов в соответствии с выбранными критериями.

Содержание диссертации соответствует пункту 2 паспорта специальности 05.12.13 — «Исследование процессов генерации, представления, передачи, хранения и отображения аналоговой, цифровой, видео-, аудио- и мультимедиа информации; разработка рекомендаций по совершенствованию и созданию новых соответствующих алгоритмов и процедур».

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение качества обслуживания и производительности мультимедийных сервисов, входящих в состав ИС, построенной на основе концепции облачных вычислений с использованием современных средств телекоммуникаций и связи.

Для достижения указанной цели поставлены следующие научные задачи:

1. Провести анализ существующей архитектуры и исследовать методы оптимизации, применяемые для повышения эффективности использования вычислительных ресурсов в высоконагруженных ИС, поддерживающих несколько классов мультимедийных приложений, работающих в условиях ограниченности ресурсов при неоднородном потоке заявок пользователей.

2. Разработать модели, детально описывающие функционирование современных высоконагруженных ИС с позиции архитектуры и состава основных объектов облачной системы; обработки и управления потоками данных, передаваемых между ее компонентами, с учетом набора характеристик, оказывающих влияние на эффективность обслуживания запросов пользователей.

3. Спроектировать модели размещения и организации доступа к хранилищу данных высоконагруженной ИС, построенной с использованием концепции облачных вычислений, описывающие востребованность приложений пользователями с учетом ограниченности вычислительных ресурсов.

4. Разработать и реализовать алгоритмы оптимизации для управления вычислительными ресурсами в облачной системе, используемой для размещения неоднородных мультимедийных приложений и данных, входящих в состав высоконагруженных ИС.

5. Спроектировать и реализовать программный комплекс, осуществляющий эффективное управление вычислительными ресурсами, выделенными для работы мультимедийных приложений, размещенных в облачной системе, в условиях физической ограниченности ресурсов.

В соответствии с целями и задачами диссертационной работы определены её объект и предмет.

Объектом исследования являются мультимедийные сервисы ИС ВУЗа, относящиеся к нескольким уровням приложений и размещенные на базе облачных систем.

Предметом исследования являются модели и алгоритмы управления распределением и балансировкой нагрузки между вычислительными узлами и

виртуальными ресурсами облачной системы в высоконагруженных мультимедийных приложениях, входящих в состав единой ИС.

Методы исследования. Проведенные в диссертационной работе исследования основываются на теории массового обслуживания, методах оптимизации, теории графов и имитационном моделировании, реализованных средствами пакета МаЙаЬ.

Научная новизна результатов диссертации заключается в том, что впервые:

1. Предложена модель, описывающая неоднородные потоки запросов пользователей в высоконагруженных ИС с последовательно-параллельными фазами в системе массового обслуживания. Модель учитывает особенности работы компонентов «облачной» системы и позволяет оценить ее основные характеристики: загрузку каналов, время отклика приложений, эффективность работы сервисов и надежность ее компонентов.

2. Спроектирована модель доступа пользователей к ресурсам ИС с мультимедийными приложениями, учитывающая размещение данных в системе хранения и запуск приложений с использованием концепции «облачных вычислений». Применение модели позволяет повысить производительность работы «облачной» системы за счет методов оптимизации и динамического распределения ресурсов, сокращает время отклика приложений.

3. Разработаны алгоритмы для распределения и балансировки нагрузки, отличающиеся от известных аналогов тем, что они учитывают объем используемых ресурсов, порядок доступа к различным уровням \veb-приложений, а также прогнозирующие поведение ИС на основе событийного подхода.

4. Разработана компьютерная модель обработки запросов пользователей интерактивных сервисов инфокоммуникационных сетей, позволяющая исследовать и оптимизировать управление нагрузкой, а так же повысить производительность работы «облачной» системы, задействованной при размещении мультимедийных приложений и ее компонентов в условиях физических ограничений вычислительных ресурсов.

Достоверность результатов работы обеспечивается корректностью применения используемого математического аппарата. Для анализа эффективности предложенных алгоритмов использованы данные об интенсивности потребления ресурсов и компонентов ИС дистанционного обучения ВУЗа. Достоверность результатов подтверждается экспериментальными исследованиями и апробацией программного комплекса.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные алгоритмы оптимизации и созданные программные комплексы могут применяться для повышения эффективности предоставления различных мультимедийных сервисов в условиях ограниченных вычислительных ресурсов, а также снижения количества отказов в обслуживании, повышения производительности системы и улучшения качества обслуживания конечных пользователей.

Полученные результаты могут быть использованы для решения практических задач применения высоконагруженных мультимедийных сервисов, предоставляющих доступ значительному числу пользователей в условиях ограниченности вычислительных ресурсов.

Основные результаты, полученные автором и выносимые на защиту:

1. Построены модели, учитывающие особености доступа пользователей к мультимедийным приложениям, работающим в облачной системе, и описаны потоки данных, передаваемых в структуре виртуальных ресурсов.

2. Разработаны модели эффективного размещения мультимедийных данных в облачном хранилище ИС, учитывающие параллельные процессы, влияющие на производительность системы хранения, а также установлены зависимости, возникающие в процессе доступа пользователей к приложениям.

3. Экспериментально исследованы и установлены законы распределения последовательностей интервалов времени поступления и длительности обслуживания Заявок в многоуровневой ИС с динамически конфигурируемой архитектурой на базе концепции облачных вычислений.

4. Разработаны оптимизирующие алгоритмы управления ресурсами высоконагруженной ИС дистанционного обучения, расположенной в «облаке», с учетом функций распределения нагрузки и анализа интенсивности поступления запросов, что позволило повысить производительность обслуживания заявок пользователей в условиях ограниченности вычислительных ресурсов, за счет динамического распределения передаваемых потоков данных.

5. Спроектирован и внедрен программный комплекс, позволяющий оптимизировать управление потоками запросов и виртуальными вычислительными ресурсами, а также повышающий производительность работы высоконагруженной информационной системы.

Личный вклад автора. Основные научные результаты теоретических и прикладных исследований, выводы, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит значительная часть, связанная с постановкой задач, разработкой алгоритмов и моделей, а так же их программная реализация и проведение экспериментальных исследований в ИС дистанционного обучения ВУЗа

Внедрение результатов диссертационной работы. Результаты диссертационной работы внедрены в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Оренбургский государственный университет" на факультете дистанционных образовательных технологий и в учебном центре ГНУ Всероссийского научно-исследовательского института мясного скотоводства (г. Оренбург), что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на многих конференциях, среди которых можно выделить: VI Международная конференция «Параллельные вычисления и задачи управления РАСО' 2012»

(Москва, 2012 г.); Международная конференция «IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON)» (Германия, Берлин, 2013 г.); Международная научная конференция «Параллельные вычислительные технологии ПаВТ'2013» (Челябинск, 2013 г.); XX Всероссийская научно-методическая конференция "Телематика'2013" (Санкт-Петербург, 2013 г.).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 25 работах и реализованы в 2 зарегистрированных программных комплексах. Публикации включают 4 работы в изданиях из перечня ВАК РФ; 3 статьи из прочих изданий; 10 статей, опубликованных в трудах международных научных конференций; 6 статей, опубликованных в трудах всероссийских научных конференций и 2 тезиса докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 156 страниц машинописного текста, 37 рисунка, 2 таблицы. В списке литературы 133 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, определена научная новизна полученных результатов и их практическая ценность. Определены структура и краткое содержание глав диссертации, приведены сведения о публикациях и апробации работы.

В первой главе представлен обзор исследований, существующих в данном направлении, основные понятия, касающиеся применяемых алгоритмов, методов, программных и аппаратных средств распределения и балансировки нагрузки, произведена классификация и анализ применяемых на практике технологий виртуализации вычислительных ресурсов.

В исследовании определены особенности доступа к ИС в сетях образовательных учреждений Основным из них является прогнозируемый характер потребления вычислительных ресурсов при высокоинтенсивном и неравномерном потоке запросов. Анализ существующих решений для распределения и балансировки нагрузки показал, что достижение требуемых показателей качества обслуживания запросов за счет масштабирования физических узлов не всегда возможно, а имеющиеся решения на базе концепции облачных вычислений не учитываюттип размещаемых приложений и ограничения по ресурсам.

В диссертационном исследовании установлено, что для решения проблемы организации непрерывного доступа пользователей к высоконагруженной ИС, повышения ее производительности и обеспечения требуемого качества обслуживания, необходима разработка новых подходов к оптимизации потребления вычислительных ресурсов и использованию методов и алгоритмов управления, позволяющих более эффезаиы ю распределять и балансировать i шгрузку.

Во второй главе построены модели, описывающие предметную область исследования, а именно: уровни мультимедийных приложений, декомпозицию структуры виртуализации ресурсов, особенности обслуживания запросов пользователей и размещения данных в сетевом хранилище при доступе к сервисамИС.

На базе архитектуры СДО Оренбургского государственного университета разработана уровневая классификация приложений, предоставляющих мультимедийные услуги, включающая в себя первый уровень - подсистему контроля знаний, второй уровень - электронную библиотеку и третий уровень -видеопортал. Каждый из перечисленных уровней описывает характер потребления вычислительных ресурсов и интенсивность использования отдельных компонентов, применяемых в СДО.

Для оптимизации управления вычислительными ресурсами и повышения эффективности их использования разработана модель виртуализации ресурсов, описывающая декомпозицию основных компонентов облачной системы включающей в себя: вычислительные узлы 8пос1е, системы хранения данных Sstg, сетевые хранилища данных Лм.?, сервера расписаний Ягсир и другие объекты. В соответствии с уровневой классификацией приложений и моделью виртуализации ресурсов описаны потоки передаваемых данных в ИС, использующих концепцию облачных вычислений. При этом в процессе обслуживания запросов пользователей можно выделить ряд фаз. Первая фаза представлена в виде контроллера, управляющего распределением потоков данных между вычислительными ресурсами ИС. На второй фазе расположены виртуальные машины, обеспечивающие динамическое масштабирование ресурсов. Третья фаза представлена в виде приложений, запущенных на виртуальных машинах, выполняющих обработку данных пользователя, а также узлами систем хранения и управления базами данных. Интенсивность обслуживания рассматриваемых потоков заявок ИС зависит от класса обслуживания, определяемого согласно уровневой классификации, и в соответствии с функцией, подчиняющейся собственному закону распределения для каждого из приложений.

Для описания динамики обслуживания заявок и траектории прохождения в многофазной ИС, использующей облачные ресурсы, формализовано описание потоков передаваемых данных в виде отображения, обеспечивающего наиболее эффективное обслуживание запросов пользователей К': X' У, где К' -результирующий поток запросов, проходящий через все элементы у-ой фазы; X' - множество всех потоков, входящих в элементы у-ой фазы; Уу- множество всех потоков, выходящих из элементов у'-ой фазы; у = Г/ - количество выделенных фаз обслуживания. Потоки данных ИС, расположенной в облаке, можно представить в виде:

Л(Х/,е,Г), Х/еХ'

У/ = Я'(Х/ ,1,Р) = ■ /

(1)

где Я(Х/, /,/=") определяет потоки между элементами внутри фазы; Р{(Х Л Л Г) характеризует выходящие пересекающиеся потоки между фазами; (21 (У'' характеризует входящие пересекающиеся потоки между фазами в момент времени /, в зависимости от внутренних и внешних процессов Р.

В построенной модели количество источников и интенсивность формирования запросов каждым из них напрямую зависят от количества пользователей, обращающихся в данный момент к ИС. При этом сессии пользователей к приложениям на разных уровнях учитываются независимо друг от друга.

Для максимизации количества успешно обработанных запросов к ресурсам ИС в единицу времени и эффективной обработки очередей в модели обслуживания заявок пользователей решена задача оптимизации, состоящая в поиске индивидуальных параметров для приоритетного обслуживания для каждого из выделенных уровней приложений, описываемая целевой функцией вица:

А/

^^/¡-»ти, (2)

1-1 1,(Т,>

где Я, — интенсивность поступающего потока заявок от источника; Хц - статус обработки у-ой заявки, поступившей на /-ый уровень; Р, — динамический приоритет заявки в очереди, определяемый относительно значений ресурсоемкости, предполагаемого времени выполнения и рейтинга востребованности приложения, определяемых в каждый момент времени для каждого запроса.

Проведенными исследованиями установлено, что наиболее нагруженным ресурсом ИС является система хранения данных (СХД). Для ее оптимизации разработана модель доступа к хранилищу данных и приложений, учитывающая неоднородность размещаемой информации и оценку интенсивности обращения данным, при прогнозировании нагрузки на выделенные устройства. Так же в модели хранилища учитывается динамика изменения его структуры в процессе работы, зависящая от потребляемых ресурсов. Формализованное описание поступающего потока запросов пользователей к СХД можно предстваить виде кортежа отношений:

ад=([/, Мс, 2(0), (3)

где и= {и\,щ,...} — множество пользователей;

Мс = {т\,тг,...} — множество уникальных элементов данных т„ минимальной единицей которых является файл, размещенный на устройствах хранения и описываемый свойством А — размер;

2(0 — требования пользователей, изменяющиеся во времени.

Функция размещения элементов данных по устройствам хранения имеет вид: Р{\)\Мс — Д (4)

где Мс — множество, описывающее копии эталонных данных в процессе размещения на устройствах хранения £>.

Требование пользователя к элементам данных имеет вид: Q(t):U —> X д: Мс, где X— множество данных, запрошенных множеством пользователей и.

Тогда хранилище данных можно записать в виде кортежа

S(t)=(Afc(t),D(t)^(tU(t),C,/?(t),G), (5)

где D(i)={d\,dz,...} — множество устройств хранения, представленное виртуальными дисками, размещаемыми на отказоустойчивых RAID массивах;

¿(t)={/i,/2,...} — множество значений, характеризующих загрузку каждого устройства хранения;

Р(t) — функция размещения данных по устройствам;

C={ci,c2,...} — множество значений, характеризующее объем каждого из устройств в хранилище;

R(t) — множество запросов пользователей к данным на устройствах;

GeN — натуральный коэффициент, характеризующий географический (топологический) приоритет использования хранилища.

Для оптимизации затрат на ресурсы, выделенных для работы высоконагруженной ИС, и сокращения одновременно используемого количества устройств введем кортеж отношений вида:

5CW(t)={S(t)^(t)^iae(t)}, (7)

где Vt, £>usc(t) с D(t) множество устройств хранения, используемых в масштабируемом хранилище S в момент времени t.

Для минимизации количества одновременно используемых устройств хранения в рамках одного масштабируемого хранилища и максимизации количества обработанных запросов пользователей в единицу времени используется целевая функция вида:

¿/J(0->min

* (8)

Xv>( OR, (оmax

i»l

где N — количество заявок, поступивших в систему на интервале времени AT.

Процесс миграции данных между устройствами хранения описывается как граф требований вида G (VJZJ*), где V — направление перемещения (новое устройство размещения); Е — элемент данных (файл), востребованный на устройстве; Р — приоритет выполнения операции в плане миграции.

В третьей главе описаны разработанные алгоритмы, оптимизирующие управление вычислительными ресурсами в высоконагруженных ИС, работающих в условиях физических ограничений, учитывающие особенности размещения данных и приложений в облачной архитектуре на основе моделей, построенных в главе 2.

Одним из алгоритмов оптимизируется механизм распределения и балансировки нагрузки, за счет планирования выполнения запросов пользователей. Отличительной особенностью алгоритма является использование уровневой классификации приложений и рейтинга востребованности компонентов ИС. В основу алгоритма положена модель обслуживания заявок пользователей в части выбора их приоритетов. Кроме того, в работе алгоритма учитываются затраты вычислительных ресурсов не только на выполнение текущего запроса, но и для других, связанных с объектом доступа, активных сеансов пользователей.

Однако для предоставления доступа к вычислительным ресурсам ИС необходимо осуществить запуск всей инфраструктуры, описанной согласно модели виртуализации. Для решения данной задачи необходимо обеспечить требуемое количество экземпляров приложений для бесперебойной работы пользователей в условиях физической ограниченности ресурсов. Алгоритм управления, применяемый для предоставления доступа пользователям к виртуальным ресурсам и приложениям, оптимизирует их использование. При этом формируется три варианта конфигурации виртуальных машин и создается интервальный план их запуска.

Кроме алгоритмов, комплексно оптимизирующих использование вычислительных ресурсов, разработан алгоритм распределения нагрузки при доступе к СХД, отличительной особенностью которого является прогнозирование востребованности связанных данных в мультимедийных приложениях. В его основу положена модель доступа к хранилищу данных и приложений, позволяющая оптимизировать их размещение внутри дискового пространства для более эффективного использования имеющегося объема хранилища и управления количеством виртуальных и физических устройств ИС.

При помощи усовершенствованного алгоритма миграции данных в облачной системе хранения оптимизирован процесс перемещения данных между устройствами. Отличительной особенностью алгоритма является анализ востребованности данных при составлении плана миграции с учетом загруженности устройств и текущего размещения. Разработанные алгоритмы положены в основу двух зарегистрированных программных комплексов.

В четвертой главе приведено описание и результаты экспериментальных исследований разработанных алгоритмов. Схема комплексного подхода к

Рисунок 1 — Укрупненная схема оптимизации доступа к информационным системам ВУЗа на базе облачных вычислений Для анализа эффективности разработанной схемы оптимизации в рамках диссертации проведен ряд экспериментов с использованием разработанных алгоритмов, как на базе имитационной модели, так и с помощью облачной

системы Орег^аск в условиях ограниченности ресурсов. Установлено соответствие законов распределения для различных потоков запросов пользователей к приложениям: для передающих видео трафик характерно распределение Парето; для передающих файлы данных характерно распределение Вейбулла; для трафика данных небольшого размера характерно распределение Хи-квадрат.

Экспериментально доказана зависимость эффжгавноста и производительности обслуживания заявок пользователей от длины очереди заявок на каждый из уровней подсистем и количества запросов к однотипным ресурсам. Использование приоритетного подхода, учитывающего ресурсоемкость и загруженность вычислительных узлов при обслуживании запросов пользователей, позволяет оптимизировать порядок их выполнения, увеличивая производительность системы, и снижает общее количества отказов (рисунок 2).

9 13 37 г! 25 29 33 ЗТ 41 45 49 53 57

Время эксперимента

-Количество запросов, одновременно поступивших на обстудованиа

*—* Количество запросов, одновременно обслуживаемых с применением алгоритма -Количество запросов, одновременно обслуживаемых без алгоритма оптимизации

Рисунок 2 — График эффективности обслуживания запросов пользователей

Эффективность алгоритмов оптимизации использования ресурсов облачной системы без учета алгоритма управления конфигурацией облачной системы, составила от 15% до 25% относительно стандартных алгоритмов планирования. Установлена устойчивость предлагаемых решений при обработке потоков запросов в количестве 10000 ко всем уровням системы с различной интенсивностью на ограниченном объеме выделенных ресурсов интервале времени в один час, что соответствует наиболее длительному периоду времени пиковой нагрузки системы, зафиксированному в реальном трафике.

Предложенные алгоритмы позволяют снизить количество отказов в обслуживании при обращении пользователей, а использование эффективной балансировки нагрузки между виртуальными вычислительными узлами позволяет высвободить от 20% до 30% выделенных ресурсов.

В заключении приводятся основные научные результаты, полученные в ходе выполненных исследований, а также представлены выводы по работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Построены модели, характеризующие информационные потоки передаваемых данных в структуре виртуализованных ресурсов с учетом особенностей доступа пользователей к мультимедийным приложениям, работающим в «облачной» системе.

2. Разработаны модели эффективного размещения мультимедийных данных в «облачном» хранилище высоконагруженных интерактивных сервисов инфокоммуникационных сетей, учитывающие зависимости, возникающие в процессе доступа пользователей к приложениям, а также параллельные процессы, влияющие на производительность системы хранения.

3. Исследованы законы распределения последовательностей интервалов времени поступления и длительности обслуживания заявок в интерактивных сервисах с динамически конфигурируемой архитектурой с учетом уровневой классификации мультимедийных \уеЬ-приложений, что позволило провести имитационное моделирование процесса управления нагрузкой на вычислительные ресурсы коммуникационно-информационной системы.

4. Предложены оптимизирующие алгоритмы управления ресурсами высоконагруженной ИС, распложенной в «облаке», учитывающие функции распределения поступления запросов и позволяющие повысить производительность обслуживания заявок пользователей в условиях ограниченности вычислительных ресурсов на 12-15% за счет динамического распределения передаваемых потоков данных.

5. Проведенные экспериментальные исследования позволяют оценить эффективность разработанных алгоритмов с использованием построенной компьютерной модели. Установлено, что эффективность зависит от структуры поступающих запросов, а производительность обслуживания зависит от востребованности однотипных элементов данных и количества одновременно используемых приложений. Прирост производительности работы компонентов информационной системы за счет применения разработанных алгоритмов составил от 15% до 25%.

6. Спроектирован и внедрен программный комплекс, позволяющий оптимизировать управление ресурсами ИС, что позволяет высвобождать от 20% до 30% выделенных виртуальных серверов, задействованных при размещении мультимедийных -№еЬ-приложений и их компонентов в условиях физических ограничений вычислительных ресурсов.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Парфёнов, Д. И. Распределение ресурсов в информационной системе дистанционной поддержки образовательного процесса / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина, В. Н. Решетников // Программные продукты и системы — 2012. - № З.-С. 151-155.

2. Парфёнов, Д. И. Сравнение эффективности алгоритмов динамического распределения данных в облачных хранилищах системы дистанционного обучения / Д. И. Парфёнов // Системы управления и информационные технологии: научно-технический журнал. — 2012. - № 4.1 (50). -С. 163-168.

3. Парфёнов, Д. И. Алгоритмы комплексной оптимизации потребления вычислительных ресурсов в облачной системе / Д. И. Парфёнов, И. П.

Болодурина // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2013. -№9 (158).-С. 177-184.

4. Парфёнов, Д. И. Управление потоками запросов при доступе к широкополосным мультимедийным образовательным ресурсам системы дистанционного обучения / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина // Проблемы управления,-2013.-№ 6. - С. 24-30.

5. Parfenov, D. Efficient access to multimedia resources in distributed systems of distance learning / Parfenov D., Bolodurina I., Shukhman A. // IEEE Technische Universität Berlin, Berlin, Germany, IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON), 2013.-P. 1228-1231.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ

6. Парфёнов, Д. И. Программный комплекс моделирования процесса управления распределением нагрузки в контроллерах облачной системы для решения задач оптимизации доступа к мультимедийным ресурсам / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина. — Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013617924, Роспатент, Москва, 27.08.2013.

7. Парфёнов, Д. И. Программный комплекс «Автоматизированный программный симулятор контроллера облачной системы» / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина. - Москва : ВНТИЦ, 2013. -№ 50201351238.

Публикации в других изданиях

8. Парфёнов, Д. И. Программно-аппаратный комплекс видеопортала как эффективное средство информационного взаимодействия субъектов образовательного процесса / Д. И. Парфёнов // Информационная среда ВУЗа XXI Века : сб. науч. тр. V междунар. науч.-практ. конф. / Петрозавод. гос. ун-т. -Петрозаводск, 2011. - С. 141-144.

9. Парфёнов, Д. И. Применение комплекса видеопортала для организации дистанционной поддержки образовательного процесса в Оренбургском государственном университете / Д-И. Парфёнов, И.П. Болодурина // Математика. Информационные технологии. Образование. [Электронный ресурс] : материалы III Всероссийской научно-практической конференции. — Оренбург: Руссервис, 2011.

10. Парфёнов, Д. И. Интеграция видеопортала с дистанционными образовательными технологиями в Оренбургском государственном университете / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина // Современные информационные технологии и ИТ-образование : сб. избран, тр. VI Междунар. науч.-практ. конф., 12-14 дек. 2011 г., Москва / под ред. проф. В. А. Сухомлина. - Москва, 2011. - С. 295-301.

11. Парфёнов, Д. И. Моделирование востребованности ресурсов в распределенной информационной системе дистанционной поддержки образовательного процесса / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина // Высокие технологии, экономика, промышленность : сб. ст. / под ред. А. П. Кудинова. — Санкт-Петербург, 2012. - С. 30-34.

12. Парфёнов, Д. И. Перспективы развития системы дистанционного обучения в Оренбургском государственном университете / Д. И. Парфёнов,

И. П. Болодурина // Управление развитием крупномасштабных систем (MLSD'2012). В 2 т. Т.2 (секции 5-10) : материалы VI Междунар. конф., 1-3 окт. 2012 г., Москва / общ. ред.: С. Н. Васильев, А. Д. Цвиркун. - Москва, 2012. - С. 288-291.

13. Парфёнов, Д. И. Моделирование распределения ресурсов и динамической балансировки нагрузки в информационной системе дистанционной поддержки образовательного процесса / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина // Параллельные вычисления и задачи управления РАСО'2012 : материалы IV Междунар. конф., 24-26 окт. 2012 г., Москва : тр. в 3 т. - Москва :ИПУ РАН, 2012.-С. 173-182.

14. Парфёнов, Д. И. Подход к решению актуальных проблем обучения в нефтегазовой отрасли/ Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина, И. В. Парфёнов // Актуальные проблемы нефтегазовой отрасли : материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Оренбург, 2012. - С. 266-269.

15. Парфёнов, Д. И. Модель динамического распределения данных в гибридных облачных системах дистанционного обучения / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике : сб. науч. тр. X Всерос. науч.-практ. конф. / Оренбург, гос. ун-т. - Оренбург, 2012. - С. 155-160.

16. Парфёнов, Д. И. Моделирование распределения ресурсов и динамической балансировки нагрузки в системе дистанционного обучения/ Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина // Материалы XII Всероссийской конференции «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах». - Нижний Новгород, 2012. - С. 54-61.

17. Парфёнов, Д. И. Сравнение эффективности алгоритмов динамического распределения данных в гибридных облачных системах дистанционного обучения / Д. И. Парфёнов // Информационные технологии моделирования и управления. -2012. -№ 6 (78). - С. 491-498.

18. Parfenov, D. Investigation of methods location and organization distributed access to data cloud storage system of distance learning / Parfenov D., Bolodurina I. // Parallel and Distributed Computing Systems (PDCS 2013). - Kharkiv, 2012. - P. 62-66.

19. Парфёнов, Д. И. Исследование методов размещения и организации распределенного доступа к данным облачного хранилища системы дистанционного обучения / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина // Параллельные вычислительные технологии (ПАВТ'2013) : тр. междунар. конф. / Юж.-Урал. гос. ун-т. -Челябинск, 2013. - С. 301-307.

20. Парфёнов, Д. И. Оптимизация использования ресурсов облачного хранилища данных системы дистанционного обучения / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина // Управление большими системами : материалы X Всерос. шк.-конф. молодых ученых, 5-7 июня 2013 г., Уфа / Уфим. гос. авиацион. техн. ун-т. -Уфа, 2013.-С. 134-139.

21. Парфёнов, Д. И. Применение облачных технологий для распределения нагрузки в системах дистанционного обучения / Д. И. Парфёнов, И. П.

Болодурина // Телематика'2013 : материалы XX Всерос. науч.-метод. конф., 2427 июня 2013 г., Санкт-Петербург / Санкт-Петербург, нац. исслед. ун-т информацион. технологий, механики и оптики. - Санкт-Петербург, 2013. — С. 233-236.

22. Парфёнов, Д. И. Технология управления распределением ресурсов в системе дистанционного обучения / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина // Актуальные проблемы автоматизации и управления : тр. науч.-практ. конф., 5-7 июня 2013 г., Челябинск / Юж.-Урал. гос. ун-т. - Челябинск, 2013. - С. 262-265.

23. Парфёнов, Д. И. Алгоритмы оптимизации потребления ресурсов в облачном хранилище данных системы дистанционного обучения / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина // Научный сервис в сети Интернет: все грани параллелизма : тр. Междунар. суперкомпьютерной конф., 23-28 сент. 2013 г., Новороссийск. — Москва, 2013. — С. 27-32.

24. Парфёнов, Д. И. Разработка методов и алгоритмов повышения эффективности использования вычислительных ресурсов для размещения мультимедийных образовательных сервисов на базе облачных технологий / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина // Материалы VI Всерос. мультиконф. по проблемам управления (МКПУ-2013), 30 сент.-5 окт. 2013 г., Геленджик / Рос. фонд фундам. исслед. - Ростов-на-Дону, 2013. - С. 17-22.

25. Parfenov, D. Request stream control for the access to broadband multimedia educational resources in the distance learning system / Parfenov D., Bolodurina I., Shukhman A. // International Journal of Engineering Pedagogy (iJEP). - 2013. - Vol. 3, № 4. - P. 23-26.

26. Парфёнов, Д. И. Алгоритм миграции данных в облачном хранилище системы дистанционного обучения / Д. И. Парфёнов, И. П. Болодурина // Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТиТТ-2013 : материалы XIV Междунар. науч.-техн. конф., 27-29 нояб. 2013 г., Самара / Поволж. гос. ун-т телекоммуникаций и информатики. — Самара, 2013. — С. 110-112.

27. Parfenov, D. Flow control requests for access to broadband multimedia educational resources of distance learning / Parfenov D., Bolodurina I. P. // Proceedings of the Workshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT'2013), 15-21 Sept. 2013, Vienna-Budapest-Bratislava / Ufa State Aviation Technical University, 2013. - Vol. 3. - P. 113-118.

Подписано в печать _._.2014 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная.

Гарнитура Times New Roman. Заказ №_

Печать оперативная. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз.

Отпечатано в издательстве учебной научной литературы

Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики 443090, г. Самара, Московское шоссе, 77 т.: (846) 228-00-44



ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201460428

ПАРФЁНОВ ДЕНИС ИГОРЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ В ИНТЕРАКТИВНЫХ СЕРВИСАХ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ

СЕТЕЙ

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Болодурина И.П.

САМАРА 2014

Содержание

Введение.......................................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ В ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ..................17

1.1 Проблемы эффективного использования вычислительных ресурсов в информационных системах......................................................................................17

1.2 Технологии распределения и балансировки нагрузки в высоконагруженных информационных системах......................................................................................20

1.3 Виртуализация вычислительных ресурсов в облачных системах.................26

1.4 Управление вычислительными ресурсами в высоконагруженных информационных системах, построенных на базе концепции облачных вычислений................................................................................................................31

1.5 Обзор существующих алгоритмов планирования в вычислительных системах.....................................................................................................................33

1.6 Анализ особенностей потребления вычислительных ресурсов в информационных системах образовательных учреждений..................................43

1.7 Постановка задачи...............................................................................................45

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ ИНТЕРАКТИВНЫХ СЕРВИСОВ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ НА БАЗЕ ОБЛАЧНОЙ АРХИТЕКТУРЫ...............................................................46

2.1 Структурная модель облачной системы и модель доступа к данным и приложениям.............................................................................................................47

2.2 Построение модели виртуализации вычислительных ресурсов облачной системы.......................................................................................................................51

2.3 Модель потоков данных высоконагруженных информационных систем, применяющих концепцию облачных вычислений................................................54

2.4 Разработка модели обслуживания заявок пользователей информационной системы.......................................................................................................................62

2.5 Управление потоками запросов в информационных системах......................66

2.6 Построение модели доступа к хранилищу данных и приложений................69

2.7 Критерии и показатели оценки эффективности разработанных моделей .... 72 ГЛАВА 3. АРХИТЕКТУРА И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОМПОНЕНТОВ УПРАВЛЕНИЯ НАГРУЗКОЙ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СРЕДЕ.........................................................................................................................79

3.1 Разработка алгоритма распределения и динамической балансировки нагрузки в облачной системе...................................................................................79

3.2 Алгоритм управления виртуальными ресурсами и приложениями..............85

3.3 Алгоритм распределения нагрузки при доступе к данным облачной системы хранения.....................................................................................................................88

3.4 Алгоритм оптимизации процесса миграции данных в облачной системе хранения.....................................................................................................................93 .

3.5 Проектирование и разработка автоматизированного программного симулятора для распределения и динамической балансировки нагрузки в облачной системе......................................................................................................96

3.6 Программная реализация эффективных алгоритмов распределения и динамической балансировки нагрузки для контроллера облачной системы ... 100 ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ НАГРУЗКОЙ НА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ КОММУНИКАЦИОННО-ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ, ПОСТРОЕННОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБЛАЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ........................................................105

4.1 Моделирование и анализ вычислительных ресурсов информационной системы дистанционного обучения.......................................................................105

4.2 Анализ нагрузки на мультимедийные сервисы информационной системы дистанционного обучения......................................................................................112

4.3 Оценка эффективности модели информационной системы дистанционного обучения, использующей концепцию облачных вычислений...........................115

4.4 Имитационное моделирование работы высоконагруженных интерактивных сервисов информационной системы с учетом облачной архитектуры.............117

4.5 Проведение экспериментального исследования в облачной системе Openstack..................................................................................................................125

4.6 Анализ результатов моделирования................................................................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................131

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ А Свидетельство о регистрации программного комплекса «Автоматизированный программный симулятор контроллера облачной

системы»...................................................................................................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Свидетельство о регистрации программного комплекса управления распределением нагрузки в контроллерах облачной системы для

решения задачи оптимизации доступа к мультимедиа ресурсам......................153

ПРИЛОЖЕНИЕ В Акты о внедрении результатов диссертационного исследования............................................................................................................154

Введение

Актуальность темы. В настоящее время широкое распространение получило применение интегрированных информационных систем (ИС), используемых для обработки, хранения и передачи значительных объемов данных. Современные информационные системы, кроме обработки данных, как правило, осуществляют поддержку ряда сервисов и приложений, предоставляющих доступ конечным пользователям. Одной из проблем современных высоконагруженных информационных систем является потребность в больших объемах вычислительных ресурсов. При этом рост потребления ресурсов, в отличие от изменения доступного объема, имеет экспоненциальный характер. Для организации работы сервисов в едином информационном пространстве необходимо решение нескольких классов задач, включающих в себя оптимизацию использования доступных вычислительных ресурсов в зависимости от их востребованности в условиях физических ограничений. Кроме этого, отличительной особенностью современных информационных систем является неоднородность поступающих потоков запросов пользователей. Это обусловлено многофункциональностью современных информационных систем, выраженной в поддержке различных мультимедийных сервисов на единой платформе. При этом каждый из таких сервисов обладает собственными требованиями к производительности вычислительных ресурсов, и, как следствие, оказывает влияние на всю информационную систему в целом.

Проблема ограниченности ресурсов особенно актуальна для образовательных учреждений, поддерживающих собственные информационные системы. Характер использования информационных систем в ВУЗе подразумевает потребление вычислительных ресурсов значительным количеством пользователей всех форм обучения, осуществляющих одновременный доступ к нескольким сервисам, используя различные каналы связи. Одной из наиболее востребованных ИС ВУЗа является система

дистанционного обучения (СДО), поддерживающая работу нескольких разнородных приложений.

Для обеспечения непрерывного доступа к информационным системам с использованием современных средств телекоммуникаций и связи требуется решить проблему эффективного распределения между сервисами ограниченного объема ресурсов. При этом потоки поступления заявок характеризуются неоднородной интенсивностью и дифференцированным использованием основных компонентов. В настоящее время нет универсальных решений, способных одновременно осуществлять распределение и балансировку нагрузки между различными мультимедийными сервисами в условиях физических ограничений по вычислительным ресурсам.

Для оценки эффективности существующих решений, с учетом качества предоставляемых услуг, необходима разработка соответствующих моделей и применение наукоемких теоретических и экспериментальных методов. Для этого широко применяется теория систем массового обслуживания (СМО). Указанным вопросам посвящены фундаментальные работы таких авторов как JI. Клейнрок, С.А. Майоров, А.П. Пшеничников, T.JI. Саати, Е.С. Вентцель, A.JI. Лифшиц, А.К. Эрланг и ряда других [9,21,22]. Ведущее место в общей математической модели СМО занимает модель входящего потока заявок, поступающих в систему на обслуживание. Так в диссертационном исследовании В.К. Дворникова рассматривается вопрос анализа клиент-серверной нагрузки, создаваемой приложениями, входящими в состав системы дистанционного обучения, а работы Г.Е. Монахова и Ж.Ф. Таннинг посвящены исследованию алгоритмов и программного обеспечения позволяющих оптимизировать отдельные участки работы распределенной телекоммуникационной системы [16,30,71]. Однако полученные в этих исследованиях результаты не позволяют проводить комплексную оптимизацию использования всех вычислительных ресурсов и не учитывают особенности мультимедийных приложений. Потоки передаваемых данных в

мультимедийных приложениях современных высоконагруженных информационных систем отличаются повышенными требованиями к параметрам качества обслуживания (QoS), таких как задержка пакетов, скорость передачи, а также пропускная способность каналов связи.

Указанные проблемы предлагается решать посредством применения современной концепции облачных вычислений (Cloud Computing), в соответствии с которой конечным пользователям предоставляется доступ к виртуальным ресурсам единой системы, осуществляющей контроль, распределение и балансировку нагрузки между вычислительными узлами и приложениями. При этом для обеспечения выполнения ограничения по общему объему вычислительных ресурсов предлагается разработать дополнительные модели и алгоритмы, оптимизирующие размещение объектов и данных информационной системы, а также формирующие порядок обслуживания запросов в соответствии с выбранными критериями.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение качества обслуживания и производительности мультимедийных сервисов, входящих в состав информационной системы, построенной на основе концепции облачных вычислений с использованием современных средств телекоммуникаций и связи.

Для достижения указанной цели поставлены следующие научные задачи:

1. Провести анализ существующей архитектуры и исследовать методы оптимизации, применяемые для повышения эффективности использования вычислительных ресурсов в высоконагруженных информационных системах, поддерживающих несколько классов мультимедийных приложений, работающих в условиях ограниченности ресурсов при неоднородном потоке заявок, поступающих от конечных пользователей.

2. Разработать модели, детально описывающие функционирование современных высоконагруженных информационных систем с позиции архитектуры и состава основных объектов облачной системы; обработки и

управления потоками данных, передаваемых между ее компонентами, с учетом набора характеристик, оказывающих влияние на эффективность обслуживания запросов пользователей.

3. Спроектировать модели размещения и организации доступа к хранилищу данных высоконагруженной информационной системы, построенной с использованием концепции облачных вычислений, описывающие востребованность приложений пользователями с учетом ограниченности вычислительных ресурсов.

4. Разработать и реализовать алгоритмы оптимизации для управления вычислительными ресурсами в облачной системе, используемой для размещения неоднородных мультимедийных приложений и данных, входящих в состав высоконагруженных информационных систем.

5. Спроектировать и реализовать программный комплекс, осуществляющий эффективное управление вычислительными ресурсами, выделенными для работы мультимедийных приложений, размещенных в облачной системе, в условиях физической ограниченности ресурсов.

В соответствии с целями и задачами диссертационной работы определены её объект и предмет.

Объектом исследования являются мультимедийные сервисы информационной системы ВУЗа, относящиеся к нескольким уровням

I

приложений и размещенные на базе облачных систем.

Предметом исследования являются модели и алгоритмы управления распределением и балансировкой нагрузки между вычислительными узлами и виртуальными ресурсами облачной системы в высоконагруженных мультимедийных приложениях, входящих в состав единой информационной системы.

Методы исследования. Проведенные в диссертационной работе исследования основываются на теории массового обслуживания, методах

оптимизации, теории графов и имитационном моделировании, реализованных средствами пакета Ма^аЬ.

Научная новизна результатов диссертации заключается в том, что впервые:

1. Предложена модель, описывающая неоднородные потоки запросов пользователей в высоконагруженных информационных системах с последовательно-параллельными фазами в системе массового обслуживания. Модель учитывает особенности работы компонентов «облачной» системы и позволяет оценить ее основные характеристики: загрузку каналов, время отклика приложений, эффективность работы сервисов и надежность ее компонентов.

2. Спроектирована модель доступа пользователей к основным ресурсам информационной системы, включающей в себя мультимедийные приложения, а также учитывающая размещение данных в системе хранения и запуск приложений с использованием концепции «облачных вычислений». Применение разработанной модели позволяет повысить производительность работы «облачной» системы за счет методов оптимизации динамического распределения ресурсов и сокращает время отклика приложений.

3. Разработаны алгоритмы для распределения и балансировки нагрузки, отличающиеся от известных аналогов тем, что они учитывают объем используемых ресурсов, порядок доступа к различным уровням \veb-приложений, а также прогнозирующие поведение информационных систем на основе событийного подхода.

4. Разработана компьютерная модель обработки запросов пользователей интерактивных сервисов инфокоммуникационных сетей, позволяющая исследовать и оптимизировать управление нагрузкой, а так же повысить производительность работы «облачной» системы, задействованной при размещении мультимедийных приложений и ее компонентов в условиях физических ограничений вычислительных ресурсов.

Достоверность результатов работы.

Обоснованность и достоверность результатов работы обеспечивается корректностью применения используемого математического аппарата. Для анализа эффективности предложенных алгоритмов использованы данные об интенсивности потребления ресурсов и компонентов информационной системы дистанционного обучения ВУЗа. Достоверность результатов подтверждается экспериментальными исследованиями и апробацией разработанного программного комплекса.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные алгоритмы оптимизации и созданные программные комплексы могут применяться для:

- повышения эффективности предоставления различных мультимедийных сервисов в условиях ограниченных вычислительных ресурсов;

- снижения количества отказов в обслуживании и повышения производительности и качества обслуживания конечных пользователей.

Полученные результаты могут быть использованы для решения практических задач в различных высоконагруженных мультимедийных сервисах, предъявляющих особые требования к качеству обслуживания и предоставляющих доступ значительному числу пользователей в условиях ограниченности вычислительных ресурсов.

Основные результаты, полученные автором и выносимые на защиту:

1. Построены основные модели, учитывающие особености доступа пользователей к мультимедийным приложениям, работающим в облачной системе, и описаны потоки данных, передаваемых в структуре виртуальных ресурсов.

2. Разработаны модели эффективного размещения мультимедийных данных в облачном хранилище информационной системы, учитывающие параллельные процессы, влияющие на производительность системы хранения,

а также зависимости, возникающие в процессе доступа пользователей к приложениям.

3. Установлены и экспериментально исследованы законы распределения последовательностей интервалов времени поступления и длительности обслуживания заявок в многоуровневневой информационной системе �