автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Метод и средства автоматизации имитационного моделирования для оценки надежностных характеристик сетей ЭВМ



ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ^_УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Ф. СКОРИНЫ

681.3.01

и- ^ с-

ВАГИХ МУХСИН АХМЕД

МЕТОД й СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕТЕЙ ЭВМ

05.13.13 — «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Гомель—1996

Работа выполнена в Гомельском государственном университете имени Ф. Скорины.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Максимей И. В.

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН, доктор

технических наук, профессор Лопато Г. П.,

доктор технических наук, профессор Атовмян И. О.

Оппонирующая организация — Институт технической кибернетики АН Беларуси

Защита состоится 19% г. в 12 часов на

заседании специализированного совета по защите диссертаций К.02.1208 в Гомельском государственном университете им. Ф. Скорины по адресу: г. Гомель, ул. Кирова, 119, ауд. 3-1.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 246699, г. Гомель, ул. Советская, 104, ГГУ им. Ф. Скорины, Ученому секретарю совета К.02.1208.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гомельского госукиверситета им. Ф. Скорины.

Автореферат разослан «

1996 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, кандидат технических наук, доцент

В. А. Короткевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.Диссертационная работа посвящена разработке метола и средств автоматизации имитационного моделирования при йс-следовании эксплуатационной надежности вычислительного процесса(ВП) в узле сети ЭВМ с высоким уровнем детализации процессов отказов и восстановлений работоспособности, устройств и программных модулей узла сети ЭВМ.Задачи,возникающие на различных стадиях проектирования, адаптации и эксплуатации сетей ЭВМ отличаются большой размерностью, сложностью и трудоемкостью. Их решение требует применения дорогостоящих исследований.Поэтому разработано большое число методик аналитического исследования сетей ЭВМ,включая и вопросы надежности передачи информации по сети ЭВМ. Большинство из них,как правило, предполагают выполнение весьма сильных ограничений, являются существенными упрощениями реальных процессов,что побудило развитие имитационных методов исследования ВП в сетях ЭВМ. В силу трудоемкости имитационного метода вопросы автоматизации процессов имитации приобретают первостепенное значение.¿3 настоящее время разработано много различных систем моделирования .(СМ) для автоматизации построения и эксплуатации ИМ сложных систем. Однако.большинство из них требует высокой квалификации исследователя по программированию и имитации, что затрудняет их использование проектировщиками сетей ЭВМ.Поэтому существует проблема использования СМ непрофессионалами в -программировании при проектном моделировании сетей ЭВМ.

Второй важной проблемой организации ВП в сети ЭВМ является, разработка стратегий профилактики отказов в узле сети и восстановления работоспособности программных компонентов в условиях высокой частоты отказов программных модулей (ПМ). В силу непредсказуемости ' появления отказов ГОЛ решение этой проблемы возможно на основе имитационного моделирования вариантов стратегий ВП.

Учитывая наличие перечисленных выше проблем имитационного моделирования сетей.ЭВМ, актуальной является задача разработки метода и средств автоматизации имитационного моделирования, позволяющих оперативным- образом решать проблемы имитации ВП и исследования эксплуатационной надежности компонентов сети ЭВМ.

Цель работы. Целью диссертации является разработка нового метода и средств автоматизации имитационного моделирования ВП в узле.сети ЭВМ при исследовании эксплуатационной надёжности его компонентов и создание технологии применения метода' и' средств имитации на ПЭВМ.

Методы исследования, используемые в диссертации базируются на известных подходах к имитации функционирования сложных систем, методах планирования эксперимента и математической статистики. При создании средств автоматизации имитации использовался общий технологический инструментарий прикладного программирования, известные стандартные пакеты по математической статистике и базовая система моделирования М1С1С.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Разработан метод .автоматизации • имитационного моделирования, позволяющий исследовать эксплуатационную надежность БП в узле сети ЭВМ с высоким уровнем детализации процессов обработки информации программными модулями.Метод включаетгряд приемов формализации описания процессов возникновения и ликвидации отказов, технику уменьшения' ресурсоемкое™ ИМ сети ЭВМ, новые средства автоматизации ИЭ, позволяющие параметризовать надежность структуры ИМ узла сети .ЭВМ и его программных компонентов, проблемную ориентацию компонентов узла сети ЭВМ на исследование эксплуатационной надежности узла.

Разработана и апробирована методика выбора рабочей, точки в пространстве параметров ИМ узла сети при наличии конкуренции прог-■ раммных модулей (ПМ) за ресурсы узла сети ЭВМ.'

Предложена технология исследования- влияния параметров надежности компонентов ПО на характеристики эксплуатационной надежности всего узла сети ЭВМ в-условиях высокой частоты отказов ПМ.

В ходе апробации метода и средств имитации показана неприменимость аналитических методов моделирования ВП на высоком уровне детализации из-за невозможности учета конкуренции ПМ за ресурсы устройств узла сети ЭВМ.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

Метод автоматизации моделирования ускоряет все этапы имитационного' моделирования для пользователей, не являющихся профессионалами в программировании и имитации.

Программно-технологическое обеспечение (ПТО) имитационного моделирования отказов и восстановлений работоспособности в сетях . ЭВМ, обеспечивающее реализацию метода, позволяет исследователям разной квалификации оперативно получать информацию о надежности и функциональных характеристиках узла сети ЭВМ при решении ими проектных задач. .

При апробации метода и средств имитации экспериментально показана возможность парадоксов имитации,когда при увеличении уровня детализации ВП из-за конкуренции ПМ за ресурсы ЦП появляется

"эффект мультиобработки" при имитации ВП традиционными методами и средствами теории массового обслуживания.Показано также,что характер распределений времени безотказной работы узла сети становится му.пьтимодальннм трудно сгггрс:;с;",згруОтиМ дане при акипоненциаль-ном характере надежностных характеристик отдельных устройств узла.

Реализация результатов исследования. Исследования проводились в рамках госбюджетной тематики Гомельского государственного университета им. Ф.Скорины в соответствии с техническим заданием на, следующие НИР:

- ГБ САПР-15 "Разработка и использование моделей при создании ВЦЮТ, ориентированных на САПР, и реализация -ее в виде программных моделей", номер гос. регистрации 81018592;

- ГБ 91-03 "Автоматизация технологии исследования, проектирования и управления ВП на ЭВМ, комплексах и сетях ЭВМ", номер гос. регистрации 019100117997;

- ГВЦ 91-19 "Разработка методов исследования и прогнозирования характеристик объектов, подвергшихся радиационному загрязнению в результате аварии на ЧАЭС для реализации в составе АРМа радиоэколога", номер гос. регистрации 01920005608;

- ГБЦЦ 92-10 " Разработка методологии и средств имитационного моделирования сложных кибернетических систем с программируемым ■интеллектом".

- ГБВД 94-11 "Разработка программно-технологического комплекса оперативного поиска напряженных городских транспортных маршрутов с помощью имитационных моделей",номер гос. регистрацш 1996115.

ГГГО имитационного моделирования отказов и восстановлений работоспособности в сетях ЭВМ внедрено в учебный процесс и используется при подготовке студентов математического факультета Гомельского государственного университета' им. Ф.Скорины.

ИМ телекоммуникационной банковской сети, разработанная на базе библиотек ИМ ПТО использовалась при проектном моделировании в Гомельском филлиале 311 АК "Беларусьбанк".

Апробация работы.. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

- Всесоюзной научно-практической конференции "Вопросы экономики и организации информационных технологий" (Гомель, 1991);.

- международной конференции; посвященной 25-летию ГГУ "Проб-' лемы математики и информатики" (Гомель, 1994);

- межгосударственной научно-практической конференции творческой молодежи "Актуальные проблемы информатики: математическое.

программное и информационное обеспечение" (Минск, 1994, 1996);

- 3-ем международном семинаре "Негладкие и разрывные задачи управления, оптимизации и га приложения" (С.Петербург, 1995);

- Республиканской научно-методической конференции,посвященной 25-летию факультета прикладной математики и информатики . БГУ (Минск, 1995);

- международной конференции "Алгебра и кибернетика",посвященной.памяти академика Чухинина O.A. (Гомель, 1995);.

- Республиканской научно-технической конференции "Автоматический контроль и управление производственными процессами" (Минск, 1995);

- 3-ей международной научно-технической конференции "Контроль и управление в технических системах" (Винница, 1995);

- Республиканской конференции "Автоматизация проектирования дискретных систем" (Минск, 1995).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 2 печатных работах, 13 тезисах докладов научно-технических конференций, а также в итоговых отчетах Гомельского государственного университета им. Ф.Скорины по выполнению НИР. .

На защиту выносится.

1. Метод автоматизации имитационного моделирования при исследовании эксплуатационной надежности ВП в узле сети ЭВМ.

2. ПТО,реализации метода и технология моделирования процессов отказов и восстановлений работоспособности узла сети ЭВМ.

3. Методика выбора рабочей точки в пространстве параметров ИМ узла сети ЭВМ.

4. Результаты апробации метода и средств автоматизации ИЭ на ПЭВМ при исследовании эксплуатационной надежности компонентов ПО в условиях высокой интенсивности отказов ПМ.

Достоверность научных положений и практических рекомендаций метода подтверждается в ходе выполнения НИР в Гомельском государственном университете, а также в ходе использования ПТО в учебном процессе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пятиглав, выводов, списка использованных источников, восьми приложений. Общий объем диссертации составляет 295 страниц,включая 39 рисунков, 18 таблиц (на 60 страницах). . и список использованных источников из 67 наименований (на 4 страницах).Приложения составляют 122 страницы.

г>

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В работе излагаются.проблемы исследования надежности функционирования сетей ЭВМ.Проведен анализ средств и методой ипплядстаняя надежности функционирования сетей ЭВМ. Рассматриваются возможности аналитических методов исследования эксплуатационной надежности сетей ЭВМ, их достоинства и недостатки. Отмечается необходимость анализа динамики развития процессов отказов и восстановлений в сетях ЭВМ при проведении проектных работ, что приводит к использованию имитационных Методов моделирования.. Выделены требования,предъявляемые к СМ на современном уровне исследований.Обсуждаются проблемы исследования ВП в узле сети ЭВМ. Отмечается .важность задачи исследования ВП при наличии конкуренции заданий в сети за ресурсы узла сети ЭВМ.На основе анализа существующих проблем автоматизации ИЭ и задач исследования надежности функционирования компонентов узла сети ЭВМ формулируется постановка задачи на диссертационную работу. Определяется необходимость разработки нового метода и средств его реализации-для исследования эксплуатационной надежности узла сети ЭВМ. Ставится ряд сопутствующих задач,решение которих позволит апробировать метод и средства автоматизации ИЭ:- выбора рабочей точки в пространстве параметров ИМ узла сети, оценки влия-. ния конкуренции запросов на обслуживание за ресурсы узла сети на параметры качества организации ВП, исследования влияния параметров надежности компонентов ПО на характеристики эксплуатационной надежности всего узла сети ЭВМ.

Идея метода заключается в поэтапном использовании приемов формализации ВП в узле сети ЭВМ и средств автоматизации ИЭ на ПЭВМ. Выделены следующие группы этапов создания и эксплуатации ИМ узла сети: формализация объекта исследования; автоматизация ИЭ с моделями, узла сети ЭВМ; испытания и исследование свойств ИМ; эксплуатация ЦМ пользователями разной квалификации.

На первом этапе использовались следующие подходы к формализации: объединение в одном описании'ИМ двух способов имитации ( процессами и транзактами ), сочетание декларативного и алгоритмического текста компонентов ИМ-ВП узла сети, возможность поступления динамических элементов модели на входы статических элементов, отображение маршрутизации заказов пользователей в сети путем использования программируемых запросов, способы отображения ресурсоемкое™ заказов в' сети, механизмы отображения конкурентной борьбы требований пользователей за ресурсы узла сети, "свертка" диаграмм

взаимодействия программных.модулей (ПМ) до графического представления в виде устройств систем массового обслуживания (СМО) с управляющими входами. Разные стороны функционирования сложных систем часто требуют Для своего описания разных способов формализации.Выбор в качестве базовой СМ М1С1С позволяет описывать ММ как комбинацию нескольких способов формализации.Компоненты,на которых строится Ш ВП в узле сети рассматриваются как комбинации взаимодейст-. вия транзактов с процессами. При этом транзакт имеет свою программу выбора устройств для обслуживания, а устройства,в свою очередь, имеют различные программы обслуживания транзактов разных типов.Для отображения маршрутизации.в'сети с помощью программируемых запросов предложено несколько вариантов текста транзактов, отображающих запрос на обслуживание.Предлагается несколько вариантов "подкраски" тела транзактов:адресацию компонент модели узла сети¡использование параметризованной модели элементарного потока, включая расписание событий, и с учетом взаимодействия компонент ИМ; моделирование режимов передачи данных по сети с помощью алгоритмических примитивов. Б качестве новых элементов малой автоматизации при формализации ВП в узле сети ЭВМ предложены: способ представления возникновения и ликвидации отказов цри описании организации ВП в узле сети ЭВМ; техника описания элементов и компоновки их в ИМ узла сети с отказами; способ формирования откликов ИМ по статистике, формируемой в ходе имитации.

Для составления концептуальной модели надежности . и имитации процессов возникновения и ликвидации отказов предлагается ряд правил и приемов по декомпозиции ВП для достижения высокого уровня детализации функционирования оборудования и программных компонент. В основу декомпозиции ВП положено иерархическое представление сети ' и. использование временных диаграмм перехода элементов ВП из состояния в состояние. Все элементы сети делятся на надежно функционирующие обслуживающие устройства (НОУ) и устройства с отказами (0У0). Любое 0У0 представляется в виде "тройки" элементарных устройств, кавдое из которых моделирует.соответственно: появление отказов (ОТК^), восстановление'работоспособности (ВОС^), выпорение основных функций 3-ым НОУ ( ФУН^ )'. Определены состояния перехода этйх устройств При их взаимодействии¿В любой данный момент времени.

только одно из .устройств "тройки" может быть в активном состоянии^ а остальные находятся в "ждущем" или "выключенном" состоянии.

. Техника описания элементов' и* компоновка их в ИМ узле сети с отказами основывается на иерархическом представлении заказов 1-го

пользователя в виде услуги, которая представляется вначале последовательностью технологических операций, а затем множеством микротехнологических операций (МТХО^), которыми и .являются отдельные задачи, решаемые на ЦП любого узла сети. Для ускорения этой операции предложи способ уменьшения ресурсоемкости ИМ сети путем двух-этапного использования ММ узла сети и ИМ сети, состоящей из обобщенных узлов. Одна из ИМ представляет ВП в узле сети на детальном ' уровне, служит для исследования ресурсных характеристик ВП в сети и моделирования процессов отказов в ПМ и восстановления их работоспособности. Во второй ИМ подмодели узлов представлены в виде взаимосвязанных обобщенных устройств. .

Способ формирования откликов ИМ по первому классу статистик имитации предполагает построение матриц коэффициентов загрузки элементов ИМ средних значений времен безотказной работы. Второй класс статистик позволяет оценить надежностные характеристики устройств группы ФУН^, объединяемых в обобщенной.ИМ в одно г-ое устройство при переходе от модели узла сети к ИМ сети. Для их вычисления предложена соответствующая структура протоколов отказов,формируемых в пределах связей ФУН^, входящих в состав объединяемого устройства. Третий класс статистик позволяет оценить надежностные характеристики сети ЭВМ и ее компонентов по протоколам отказов запросов. . ■

На втором этапе исследований при автоматизации ИЭ с моделями-ВП предлагается реализовать новые подхода, включающие:

- автоматический переход от формального описания к параметрическому заданию надежности структуры 15М ВП узла сети ЭВМ и ее компонентов;

- проблемную ориентацию компонентов ИМ сетей ЭВМ на исследование надежности их функционирования- путем -использования универсальной библиотеки элементов сетей ЭВМ;

- библиотеку специальных процедур вычисления надежностных характеристик компонентов узла сети по данным ИЭ, испытание и исследование свойств ИМ узла сети.ЭВМ.

Повышение уровня верификации ИМ достигается за счет следующих технологических приемов, предоставляемых базовой.СМ М1С1С: управление, ходом ИЭ узла сети ЭВМ¡визуализация динамики развития ВП с помощью системы скрытых и зарезервированных окон визуализаций; автоматизация сбора статистик, имитации. Использование библиотеки процедур испытания и исследования свойств ИМ ускоряет операции оценки: точности имитации вероятностных процессов в узле сети ЭВМ;устойчивое-

ти результатов имитации, чувствительности о1 ликов ММ к изменениям параметров отказов и восстановления элементов ИМ; длительности переходного режима в работе ИМ.

■ На третьем этапе исследований предлагается специализация использования метода Двумя типами пользователей. Библиотека готовых ИМ расчитана на специалистов в области проектирования и эксплуатации сетбй ЭВМ. Использование библиотеки описаний отдельных компонент ИМ узла сети требует уже участия специалистов по имитации для формирования новой структуры ИМ и дальнейшей ее отладки.Для разработки программ новых компонент ИМ рекомендуется использовать предложенные автором технологические приемы формализации и отладки ИМ.

• Программное обеспечение объединено.в виде единого программно-технологического комплекса (ПТК),структурно включающего в себя базовые средства автоматизации ИЭ, технологическое обеспечение (ТО); проблемно-ориентированное ПО. В качестве базовой СМ предложена СМ MICIC. Вновь разработанное ТО включает в себя набор следующих подсистем: испытания и исследования свойств ИМ; планирования й проведения ИЭ; обработки и анализа результатов имитации¡стандартные ППП по статистическому анализу данных, адаптированные в среду MICIC и позволяющие оперативный образом проводить обработку результатов имитации. Проблемно-ориентированное ПО включает в себя набор библиотек гпроцедур испытания и исследования свойств.вновь создаваемых или модифицируемых, ИМ; типовых компонентов ИМ ВП;параметризованных ИМ типового.узла; регрессионных моделей для определения функциональных и надежностных характеристик узла сети ЭВМ. Формулируются технологические " возможности базовой СМ MICIC. Этапы обработки статистики имитации обеспечиваются тремя известными ППП:. "САНИ", "КЛАСС-МАСТЕР", "МЕЗОЗАВР". Эти ППП имеют универсальный характер и адаптированы для работы в составе СМ MICIC. С их помощью автоматизируются этапы анализа надежностных характеристик элементов сетей. В состав проблемного ПО входят библиотеки: описаний элементов узла сети ЭВМ,ИМ ВП в узле сети ЭВМ,регрессионные модели,сформированные в результате ИЭ с.моделями.Библиотека описаний компонент ИМ содер-. кит программы типовых компонент узла сети ЭВМ, использование которых позволяет получить новые ИМ. Библиотека элементов обобщенной ИМ сети ЭВМ содержит следующие типы -элементов:

.— программные модули nMJ( реализующие на процессоре узла сети отдельные функции системных и проблемных задач; ' п

- обобщенный программный модуль, объединяющий ПМ^ (САЬС1);

- стандартные компоненты (синхронные и асинхронные источники

транзактов, подмодель внешнего окружения, модуль диспетчеризации);

- устройства моделирующие работу сети передачи данных; В библиотеку типовых ИМ ВП в узле сети входят:

- стандартные ИМ узла сети ЭВМ (БИМШ:

- стандартные ИМ узла сети ЭВМ при наличии отказов и восстановлений работоспособности устройств (БТОШХ). .

Оба класса ММ построены на базе библиотек описаний компонентов ИМ узла сети. В этих ИМ ВП представлен на уровне функционирования отдельных ПМ^ и устройств узла сети ЭВМ.В качестве ПО рассматривается ОС и набор системных программ. Модель отражает процессы распределения ресурсов ЦП, ОП и внешней памяти между различными видами работ. Она позволяет находить рациональные варианты обслуживания заданий в режимах обработки информации (от пакетного до удаленного диалогового). Отсутствуют ограничения на вид функций распределения параметров модели.

Предложена'технология имитации, позволяющая исследователю с максимальной эффективностью использовать метод и средства автоматизации моделирования отказов и восстановлений работоспособности элементов узлов сетей ЭВМ при решении задач:

. 1. Реализация многовариантного перебора организаций ВП при отсутствии отказов в узле сети ЭВМ.

2. Выбор рабочей точки моделирования ВП в пространстве параметров вновь проектируемого узла сети ЭВМ.

3. Испытание и исследование свойств ИМ ВП.

4. Исследование влияния конкуренции требований пользователей за ресурсы узла сети на показатели организации ВП и качества обслуживания пользователей.

5. Исследование влияния параметров надежности функционирования элементов узла на качество организации ВП в узле сети.

6. Экспериментальное определение на ИМ характеристик отказов и восстановлений работоспособности узла сети для последующего моделирования вариантов организации сети ЭВМ. ■

Методика выбора рабочей точки моделирования ВП в пространстве параметров проетируемого узла сети ЭВМ основывается на нахождении оптимальных значений фиксируемых параметров ИМ узла сети с помощью двух типов статистик-указателей ( "узкого"места" и "сбалансированности") в узле сети ЭВМ. В качестве откликов ИМ узла сети ЭВМ выступают векторы: коэффициентов загрузки устройств {г)^},средних значений длины очередей (10Ч;)) к устройствам.Узким местом, в ВП считается сочетание:

I и

- больших значений т^ и 1 при больших временах цикла обслуживания пользователей (Тж1).означающие, что узел сети не справляется с потоком запросов на обслуживание;

- большие значения ТК;1 при малых т)^, показывающие наличие структурных несоответствий в ВП узла сети ЭВМ.

' Сбалансированность интенсивности поступления требований в систему со скоростью их обслуживания имеет, место при больших значениях т]^, малых очередях 10чз и Т^^д, где Т1Э-приемлбмов значение времени обслуживания системой требований 1-го типа. .

Для исследования влияния конкуренции требований пользователей за ресурсы узла.сети предложено использовать два варианта организаций в ВП обслуживания требований в системе:

- когда в основу захвата требованием 1 устройства ;] лежит обычная СМО;

- когда в любой данный момент времени может находиться в активном состоянии только один из ПМ^ (реализация обеспечивается использованием СМО с управляющими входами).

Методика сравнения откликов обеих ИМ предполагает, что для каждого ■ типа ИМ ВП в узле сети ЭВМ проводится поиск рабочей точки имитации, а .затем уже осуществляется покомпонентное сравнение векторов обеих ИМ.Приведена методика статистического определения эксплуатационных характеристик надежности узла сети ЭВМ при заданных длительностях безотказной работы и временах восстановления работоспособности устройств узла сети ЭВМ.Она позволяет экспериментальным путем найти параметры полумарковского описания этих процессов для последующего использования математического аппарата полумарковских процессов в тех случаях,когда ограничения не позволяют использовать аналитические методы исследования систем. .

При апробации метода и средств автоматизации моделирования были решены следующие задачи: •

1. Апробированы новые подходы к формализации при построении двух ИМ ВП в узле , сети, используя при этом средства и технологии постановки ИЗ на ПЭВМ.Используя библиотеку описаний компонентов ИМ . была построена первая ИМ ВП (иг1£ЕТ),в которой не учитывалась конкуренция ПМ'за ресурсы Щ. Отсутствие конкуренции ИМ за ресурсы ВД представляло собой достаточно сильное огрубление ВП, поскольку при такой организации ВП в любой данный момент времени могло выполнятся на ЦП несколько ПМ. Учитывая это обстоятельство, средствами ВТК оперативным образом была скомпонована другая ИМ ВП (1КШЖС).С помощью технологической оболочки СМ МЩС при наличии заготовок опи-

саний фрагментов ИМ, учитывающих конкуренцию ИМ за ресурсы ЦП узла сети, оперативным образом была верифицирована работоспособность ИМ

игьссшс.

2.Исследованы свойства обеих ИМ ВП в узле сети с помощью библиотека процедур испытания и исследования свойства ИМ. Серией экспериментов с ИМ Ш5ЕТ с помощью процедуры упрощенного поиска была найдена рабочая точка исследований конкретного варианта ВП в узле сети. По каждому варианту организации ВП проводился поиск узкого места в сети ЭВМ, используя для этой цели указатели "узкого места" и "сбалансированности ВП". В результате были установлены оптимальные соотношения скоростей поступления требований и параметров элементной базы,' обеспечивающих приемлемые соотношения коэффициентов загрузки устройств т)3 при удовлетворительных значениях времени цикла обслуживания требований Тж±.Аналогичные исследования при поиске рабочей точки в пространстве ее параметров были проведены с ИМ тасСЖО.Было экспериментально установлено практическое совпадение рабочих точек в пространстве параметров обеих ИМ.Для определения погрешности имитации ИМ игЬБЕТ и ИМ (КЬССШС было проведено по 10 ИЗ с одними и теми же начальными значениями,но с разными значениями базового генератора псевдослучайных величин £0- Проведено сравнение ИМ по точности имитации для обеих ИМ. Показано, что при росте внешней нагрузки на узел сети удельчый вес ошибки от генераторов псевдослучайных чисел в общей ошибке снижается.Точность имитации ВП в обеих ИМ различна. Таю при переходе к имитации от ИМ игКЕТ к ИМ игьсоис ошибка имитации по откликам загрузки ЦП падает в 14 раз,а времена ответа узла на запросы пользователей для диалоговых режимов возрастают в 15 раз. Это означает, что имитация конкуренции за ресурсы порождает большую ошибку чем без учета конкуренции. Исследования длины переходного периода позволили установить достаточность времени моделирования Тнод = 2400 сек для достижения установившегося режима имитации ВП.Проверка устойчивости результатов имитации показала, что обе ИМ находятся в устойчивом' состоянии в области рабочей точки параметров моделирования. Оценка чувствительности ИМ игЬБЕТ и ИМ игшйге установила, что они сопоставимы друг с другом. Выбранные отклики обеих моделей и ТЖ1) существенно реагируют на изменение параметра интенсивности запросов (Д.1) и поэтому могут использоваться при дальнейших исследованиях вариантов ВП в узле сети с высоким уровнем детализации процессов обработки требований программными и аппаратными компонентами ВП в узле сети ЭВМ.

3. На основе моделирования БП в узле сети ЭВМ проведен анализ влияния конкуренции программных кошонентов за ресурсы ЦП узла сети ЭВМ. Сравнивались результаты анализа узких мест. Затем исследовалось снижение характеристик ВП от изменения скоростей поступления требований (Х±) и параметров элементной базы сети ЭВМ (V1). В ходе этих исследований доказана неприменимость аналитических методов' для моделирования ВП на высоком уровне детализации из-за невозможности учета конкуренции ПМ за ресурсы устройств узла сети ЭВМ и завышения коэффициента использования ЦП почти в двое. Экспериментально показана возможность парадоксов имитации,когда при повышении уровня детализации ВП для увеличения точности моделирования из-за конкуренции ПМ за ресурсы ЦП ошибка в оценке производительности узла сети ЭВМ оказывается больше, чем при аналитическом моделировании или имитации традиционными методами и средствами теории массового обслуживания.

4. Оценена степень снижения функциональных характеристик узла сети ЭВМ и ухудшения качества обслуживания различных типов запросов пользователей узла из-за влияния процессов отказов и восстановлений работоспособности компонентов узла сети ЭВМ. Для решения атой задачи использовались- ИМ UZLCQNC, которая была оперативным

/образом модифицирована и затем верифицирована аналогичным образом. По сравнению с предыдущими исследованиями время моделирования ТМОд было увеличено на порядок. Во всех сериях экспериментов с ИМ UZL-СОМС использовались экспоненциальное распределение времен безотказной работы ПМ (тб0р) и восстановления их работоспособности (тБ0С). Исследовалась ситуация при высокой частоте отказов ПО узла сети и решаемых задач.При этом трудно различать отказы электроники от отказов ПО. Поэтому считалось/что имеет место суперпозиция двух видов.отказов ЦП и устройств обмена. Предполагалось для простоты, что твос =12 сек и постоянно во всех вариантах. Всего было грове-дено 5 серий экспериментов с разным значением тб0р (абсолютно надежная работа, тбОр=3600сек, то0р=120сек, гбОр=60сек, тбОр=30сек). Результаты серии экспериментов позволили сделать следующие выводы: - узким местом узла сети при'изменении характеристик надежности его элементов является очередь запросов в блоке вычислений (CALC); ■ .■ .

вход в CALC является лимитирующим для зйгрузки ЦП и особо чувствительным к программной надежности узла сети; п .

' - при наличии высокой частоты отказов ПМ длины очередей к CALC возрастают на порядок, что может привести к потере производи-

тельности в двое.

Результаты моделирования вариантов организации ВП и.оценки чувствительности параметров надежности узла сети от тб0р показали, что:

- вероятность отказа в узле сети возрастает втрое при росте внешней нагрузки и ня.тшчии высокой частоты отказов ПО узла сети;.

- времена выполнения заказов пользователей в CALC при этом могут возрастать в 50 раз и достигать при этом величины в 500 сек;

- при организации эффективной борьбы с отказами за счет процедур периодической чистки возможно достичь приемлемой интенсивности отказов ГМ,что может снизить временные характеристики обслуживания требований в узле сети в 5 раз.

Экспериментально показано, что характер распределений времени безотказной работы узла сети Г(т0ок) становится мультимодальным и трудно аппроксимируемым даже при экспоненциальном характере распределений тб0р отдельных ПМ и устройств. Это ставит под сомнение аналитические расчеты для узла сети при большом уровне детализации даже при.допущении экспоненциального характера распределений именно из-за конкуренции ПМ за ресурсы ЦП узла сети ЭВМ. Этим обосновывается актуальность исследования надежностных аспектов узла сети ЭВМ на ИМ с высоким уровнем детализации при обязательном учете конкуренции запросов за ресурсы устройств узла сети ЭВМ.

ВЫВОДЫ

1. Разработан метод автоматизации имитационного моделирования при исследовании эксплуатационной надежности ВП в сетях ЭВМ на высоком уровне детализации. Метод использует новые средства автоматизации ИЗ, позволяющие параметризовать надежность структуры ИМ узла сети ЭВМ и его программных компонентов, а также обеспечить проблемную ориентацию компонентов ИМ сетей ЭВМ на исследование надежности их. функционирования. Метод ускоряет этапы эксплуатации ИМ пользователями,., не являющимися профессионалами в программировании и имитации на ЭВМ.

2. Реализовано программно-технологическое обеспечение (ПТО) имитационного моделирования отказов и восстановлений работоспособности в-сетях ЭВМ. Реализована оригинальная методика определения надежностных характеристик обобщенных элементов узлов сети ЭВМ.

3. Предложена технология использования ПТО,позволяющая исследовать характеристики отказов и восстановлений элементов узла сети с учетом ресурсных ограничений на организацию ВП при высокой точ-

ности исследования.

4. Разработана методика выбора рабочей точки моделирования ВП для вновь проектируемых узлов сетей ЭВМ. В основу методики положен подход к нахождению оптимальных значений фиксируемых параметров ИМ узла сети,использующий статистики-указатели "узкого места" и "сбалансированности" ВП в узле сети ЭВМ.

5. В ходе апробэции метода и ПТО на примере исследования организации обработки информации в узле сети ЭВМ доказана неприменимость аналитических методов для моделирования ВП на высоком уровне детализации из-за невозможности учета конкуренции программных модулей за ресурсы устройств узла сети ЭВМ.

6. Экспериментально показана возможность парадоксов имитации, когда при увеличении уровня детализации ВП для повышения точности моделирования возможна ошибка в оценке производительности узЛа сети ЭВМ существенно большая чем при аналитическом моделировании из-за типичного игнорирования конкуренции ПМ за ресурсы ЦП и появления "эффекта мультиобработки" при имитации ВП традиционными методами и средствами теории массового обслуживания.

7. Показано, что характер распределений времени безотказной работы узла сети становится мультимодальным и трудно аппроксимируемым даже при экспоненциальном характере надежностных характеристик отдельных устройств узла сети.

8. Установлена высокая чувствительность узла сети к повышению частоты отказов ПМ и эффективность использования процедур периодической профилактической чистки ПМ.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

'1. Галиев P.O., Вагих М.А., Селькин В.М. Операционный анализ функционирования сетей ЭВМ.//Всёсоюзная научно-практическая 'конференция "Вопросы экономики и организации информационных технологий": Т-ез.докл.конф. - Гомель, 1991. - 4.1. С. 162-163.

2. Вагих М.А. Имитационная модель для анализа 'надежностных характеристик сетей ЭВМ.// Международная конференция,¡посвященная 25-летию ГГУ."Проблемы математики и информатики":Тез. докл. конф.-Гомель',1994. - 4.2, 0.104-105.

3. Вагих М.А., Максимей И.В. О методике расчета показателей надежности функционирования информационной сети с помощью имитационных моделей.//Межгосударственная научно-практическая конференция, творческой молодежи "Актуальные проблемы информатики: математичес-

кое, програмшюе и информационное обеспечение": Тез. докл. конф. -Минск,1934. - С.93.

4. Вагих М.А., Максимей И.В. Об одной задаче исследования надежности п.ппкннх систем, с помолы: имитационной кодзли.// 3-ий международный семинар "Негладкие и разрывные задачи управления, оптимизации и их приложения":Тез.докл.конф. - С.Петбрбург,1995. - 4.1. С.11-12.

5. Максимей И.В.,Левчук В.Д.,Вагих М.А. и др. Программно-технологический комплекс имитации имитационного моделирования вычислительных систем.// Республиканская научно-методическая конференция, посвящэнкзя 25-летию факультета прикладной математики и ин-формвтиюг.Тез.докл.конф. - Минск,1995. - 4.1. с.106-107.

6. Максимей И.В., Левчук В.Д., Вагих М.А. и др. Комплекс автоматизации имитационных экспериментов и анализа- динамики поведе-

,-ния сложных .систем.//Сб. статей международной конференции "Компьютерный анализ данных и моделирование".-Минск,1995.-Т.2.-С.184-188.

7. Вагих М.А. Методика экспериментального определения параметров надежности сети ЭВМ.//Международная конференция "Алгебра и кибернетика", посвященная памяти академика Чухинина С.А.:Тез.'докл. конф. - Гомель,1995. - 4.2. С.25-26.

8. Максимей И.В., Левчук В.Д., Вагих М.А.Технология постановки имитационных экспериментов на ПЭВМ при исследовании сетей ЭВМ.// Мевдународная конференция "Алгебра и кибернетика", посвященная памяти академика Чухинина С.А.:Тез. докл. конф. - Гомель,1995. - 4.2 С.56-57.

. 9.. Вагих М.А., Максимей И.В., Короткевич Л.И. Моделирование отказов и восстановлений работоспособности компонент производственных процессов.//Республиканская научно-техническая конференция "Автоматический контроль и управление производственными .процесса-ми":Тез. докл. конф. - Минск,1995. - С.74.

10. Максимей И.В., Вагих М.А. и др.Программно-технологический комплекс имитационного моделирования производственных процессов.// Республиканская научно-техническая конференция ."Автоматический контроль и управление производственными процессами":Тез.докл.конф. - Минск,1995. - С.67.

11.. Вагих М.А., Левчук В,Д., Максимей И.В. и др.Автоматизация проектирования процессов контроля и управления технологическими процессами и транспортными потоками.// 3-я'международная научно-техническая конференция "Контроль и управление в технических сис-темах":Тез. докл. конф. - Винница,1995. - 4.1. С.232-233.

12. Вагих М.А., Еськова О.И., Левчук В.Д. и др. Программно-технологический комплекс имитации процессов контроля и управления сетью ЭВМ.//3-я международная научно-техническая конференция"Конт-роль и управление в технических системах":Тез. докл. конф. - Винница, 1Э95. -4.1. СЬ234-235.

13. Максимой И.В., Вагих U.A., Еськова 0.И.Имитационное моделирование распределенной обработки в информационных сетях ЭВМ.// Сб. статей международной конференции "Распределенная обработка информации".- Новосибирск,1995. - С.115-119.

14. Максимей И.В., Левчук В.Д., Вагих М.А. Программно-технологический комплекс автоматизации моделирования дискретных систем// Республиканская конференция "Автоматизация проектирования дискретных систем":Тез. докл. конф. - Минск,1995. - С.71.

• 15. Максимей И.В., Левчук В.Д., Вагих М.А. и др. Технология постановки имитационных экспериментов на ПЭВМ при исследовании процессов отказов и восстановлений в сетях ЭВМ.//Конференция "Ин-форматика-96":Гез. докл. конф. - Минск,1996. - С.106.

Основные научные идеи, изложенные в диссертации и вынесенные на защиту, а также разработка их технологий й .технологических, реализаций выполнены автором лично. Из работ, что опубликованы в соавторстве в диссертации использовались только те результаты, которые получены самостоятельно.

РЭЗЮМЭ

Ваг1х Мухс!н Ахмед

Метад 1 сродк! а?таматызацы! !м1ташйнягя. мядилявання для ацэнк! надзейнастных характарыстык сетак ЭВМ.

1м!тацыйнае мадэляванне, метад а?таматызацы!, с1стэма мадэля-вання, тэхналог!я выкарыстання сета! ЭВМ, фармал!зацыя аб'екта?,' даследванне надзейнасц1 функциянавання, даследванне ?ласц1васцей, апрабацыя мадол!, канкурэнцыя за рэсурсы узла сетк1.

Мэтай дысертацы! з'я?ляецца распрацо?ка новага метада для вузла сетк1 ЭВМ при даследванн! эксплутацыйнай надзейнасц! яго квмпенента? 1 стварэнне тэхналогП выкарыстання метада 1 сродка? !м!тацы! на ПЭВМ. Для дасягнення паста?ленай мэты ? дысертацы1 прапануюцца новыя падаходы падчэс фармал1зацы1 аб'екта даслёдвання, маючыя эфект малой_а?таматызэцы!, Д сродЦ! а?таматызацы1 1м!тацый~ нага эксперимента на ПЭВМ.Для а?таматызацы! асно?ных этапа? канст-руявання.внпрабавання 1 эксплуатацы1 1м!тацыйных мадэля? сетак ЭВМ распрацавана праблемна-арыентаванаэ праграмнае забеспячэнне.дазва-лявчае спецыял1стам па праграмаванню 1 эксплуатацы1 сетак ЭВМ на высок!м узро?н1 дэтал1зацы1 даследваць варыянты арган1зацы! выл1~-чальнага працэсз пры ная?насц! вял!кай частаты адмо? праграмнага забеспячэння.З дапамогай б!бл1ятэк 1м1тацыйнай мадэл! выл1чальнага' працэса магчыма аператы?ная ацэнка характарыстык надзейнасц! вузла сетк1 ЭВМ. Праведзена апрабацыя метада? 1 сродка? пры даследванн! выл!чальнага працэсу пры ная?насц! канкурэнцы1 праграмных модуля? за рэсурсы цэнтральнага працэсару. Атрыманы характарыстык1 размер-кавання? абагульненных пристасавання? пры зададзеных параметрах надзейнасц! праграмных модуля?. .Эробленыя праграмна-техналаг!чнае зэбеспячэнне ! метад а?таматызацн! рэкамендуюцца да выкарыстання пры праектаванн! сетак ЭВМ.

18 РЕЗЮМЕ

Вагих Мухсин Ахмед Метод и средства автоматизации имитационного моделирования для оценки надежностных характеристик сетей ЭВМ -

. Имитационное моделирование, метод автоматизации, система моделирования, технология использования сети ЭВМ, формализация объектов, 'исследование надежности функционирования, исследование свойств, апробация моделей, конкуренция за ресурсы узла сети.

Целью диссертации является разработка нового метода для узла сети ЭВМ при исследовании эксплуатационной надежности его компонентов и создание технологии применения метода и средств имитации на ПЭВМ. Для достижения поставленной цели в диссертации предлагаются новые подхода, используемые при формализации объекта исследования, имеющие эффект малой автоматизации, и средства автоматизации ИЭ на ПЭВМ. Для автоматизации основных этапов построения, испытания и эксплуатации ИМ сетей ЭВМ разработано проблемно-ориентированное ПО, позволяющее специалистам по программированию и эксплуатации сетей ЭВМ на высоком уровне детализации исследовать варианты организации ВП при наличии высокой частоты отказов .ПО. С помощью библиотек ИМ ВП' возможна оперативная оценка характеристик надежности узла сети ЭВМ.Проведена апробация методов и средств при исследовании ВП при наличии конкуренции ПМза ресурсы ЦП. Получены характеристики распределений обобщенных устройств при заданных параметрах надежности ЯМ. Разработанные программно-технологическое обеспечение и метод автоматизации рекомендуются к использованию при проектировании сетей ЭВМ.

SUMMARY

Wagih Mohsln Ahmed

Method and means of simulation automation for estimation characteristics reliability of computer nets.

Simulation, automation method, modeling system, technology of using computer network, formalization of objects, investigation of reliability function,investigation of properties, trial of models, competition for resources of network node.

The dlsertatlon suggestes a new method for computer network node to investigation reliability exploiting its components and technology of applications of the above method and means of simulation on the personal computer (PC). The method describes new approches for formalization of investigated object and automation means of simulation experiment (SE) on IBM PC. Problem-orientated software for automation basic stages of construction, testing and exploitation of simulation model (SM) computer networks has been worked out. It allows to lnvestegate on high level of detalisation version of computation process (CP) management when software has high frequency of rejections. Estimation characteristics reliability of computer networks node is possible by means of libraries SM CP. Trial of methods and means to investigation CP when presence competition progpamm'a package for resources of central processor, has been made out. Characteristics distributions of general devices when preset parameters of reliability programm's package have been obtained. Technological software and automation method which worked out are reference to use for projection of networks.

ConcKaTejib Barax MyxcuH Axmqr

Вагих Мухсин Ахмед

Метод и средства автоматизации имитационного моделирования для оценки надежностных характеристик сетей ЭВМ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 4- 41 • г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. N 1. П. л. 1. Тираж 100. Зак.2283 .

Ротапринт типографии БелГУТа, 246022, г.Гомель, ул. Кирова, 34