автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Методика проектирования отказоустойчивых вычислительных систем с резервированными каналами передачи данных

005061360

На правах рукописи

Осипов Андрей Владимирович

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С РЕЗЕРВИРОВАННЫМИ КАНАЛАМИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (приборостроение)

6 ИЮН 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Санкт-Петербург - 2013

005061360

Работа выполнена на кафедре вычислительной техники Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Научный руководитель: доктор технических наук, Богатырев Владимир Анатольевич

Официальные оппоненты:

Котов Владимир Владимирович, доктор технических нгук, профессор, Санкт-Петербургский государственный инженерно-экономический университет, профессор кафедры «Информационных систем в экономике»

Заяц Анатолий Моисеевич, кандидат технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет, заведующий кафедрой «Информационных систем и технологий»

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Научно-производственное объединение Завод «Волна»

Защита состоится 29 мая 2013 г. в I ^ \00 на заседании диссертационного совета Д 212.227.05 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО.

Автореферат разослан «26» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

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

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

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

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

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

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

Предмет исследования - методы проектирования вычислительных сетей с резервированными каналам.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

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

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

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

Практическая ценность работы состоит в следующем:

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

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

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

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе», Марийский государственный технический университет, 2009 г, г. Йошкар-Ола; VI (14-17 апреля 2009 г), VII (20-23 апреля 2010 г), VIII (12-15 апреля 2011 г) Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПбГУ ИТМО, г. Санкт-Петербург; Второй научный конгресс студентов и аспирантов ИНЖЭКОН-2009, 22—23 апреля 2009 г, г. Санкт-Петербург; IV Межвузовская научно-практическая конференция студентов, магистрантов и аспирантов «Социально-экономические аспекты сервиса: современное состояние и перспективы развития», СПбГУСЭ, 12-14 апреля 2010 г, г. Санкт-Петербург; Международная научно-практическая конференция «XXXIX (2010 г), ХЬ (2011 г) Неделя науки СПбГПУ», г. Санкт-Петербург; Международная научно-практическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2011», 2011 г, г. Одесса; III Всероссийская молодежная научная конференция «Научный потенциал молодежи - будущее России», III Всероссийские научные Зворыкинские чтения, 22 апреля 2011 г, г. Муром; Межвузовская научно-практическая конференция «Перспективы развития северных территорий России: социально-экономический аспект», ГПА, 2011 г, г. Санкт-Петербург; VII Международная научно-практическая конференция «Перспективные направления в науке и технике — 2011», 2011 г, г. Пшемысль, Польша; IX научно-практическая конференция студентов и аспирантов (с международным участием) «Региональные аспекты инновационного развития сферы сервиса в современных условиях», СПбГУСЭ, 2011 г, г. Санкт-Петербург; II Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Исследования молодежи — экономике, производству, образованию», Сыктывкарский лесной институт, 2021 апреля 2011 года, г. Сыктывкар; У-я международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Лесной сектор экономики: проблемы и пути решения», СПбГЛТУ 2012 г, г. Санкт-Петербург; I Всероссийский конгресс молодых ученых, г. Санкт-Петербург, НИУ ИТМО, 2012; ХЫ (2012 г), Х1Л1 (2013 г) научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург, НИУ ИТМО.

Достоверность полученных результатов обусловлена корректностью используемого математического аппарата, подтверждена имитационным моделированием, экспертизами работы при получении грантов, а также результатами

внедрения. Полученные результаты согласованны с данными других исследований в отечественной и зарубежной литературе.

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

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

Исследования поддержаны:

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

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

3. Стипендией Президента Российской Федерации на 2011/2012 учебный

год.

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

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

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

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

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

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

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ «Задачи автоматизированного проектирования высоконадежных вычислительных сетей» рассматриваются основные требования к автоматизированным системам управления (АСУ), а также технологии агрегирования каналов. Рассматриваются проблемы проектирования вычислительных сетей с резервированием разнородных каналов.

Анализируются возможности агрегирования и обеспечения отказоустойчивости средствами Windows Server 2012. Объединение сетевых адаптеров по технологии LBFO (Load Balancing / Failover - балансировка нагрузки и обеспечение отказоустойчивости) позволяет группировать несколько установленных на компьютере сетевых адаптеров. Обоснована целесообразность решения задачи оптимального распределения блоков данных по резервированным каналам. Показано, что LACP (Link Aggregation Control Protocol - протокол объединения каналов передачи данных) позволяет балансировать нагрузку с учетом адресов источника и приемника, а также принадлежности сообщения к сессии, но учет других факторов (например, оптимального размера блоков данных) при распределении кадров по резервированным каналам в нем не предусмотрен.

Анализируется агрегирование по технологии SMB Multichannel. SMB (Server Message Block) - сетевой протокол общего доступа к файлам. С SMB Multichannel для одной SMB-сессии создается несколько подключений (по одному на каждый сетевой адаптер), что позволяет SMB суммировать пропускную способность сетевых адаптеров, в том числе при накоплении отказов (деградации). Вместе с тем показано, что при объединении разнородных каналов по технологии SMB Multichannel пропускная способность более медленных каналов не используется (что соответствует режиму холодного резервирования).

Рассматривается проблема нарушения порядка следования кадров в сетях с резервированием разнородных каналов. Показано, что при агрегировании разнородных физических каналов флуктуации задержки, приводящие к нарушению последовательности доставки кадров, возникают систематически из-за различия характеристик каналов, в частности битовой скорости и времени доступа к среде.

Существующие стандарты, протоколы и средства агрегирования при распределении кадров по разнородным каналам не учитывают разницу во времени доставки кадров, что вызывает снижение эффективности использования пропускной способности каналов, так как повторные пересылки и / или переполнение скользящего окна из-за нарушения порядка прибытия кадров происходят систематически.

Таким образом, ряд проблем, связанных с агрегированием, требует своего решения, в том числе:

1. Постановка и решение задачи оптимального распределения блоков данных по разнородным резервированным каналам.

2. Разработка алгоритма оптимальной фрагментации для применения в сетях с агрегацией разнородных каналов.

3. Постановка и решение задачи оптимизации размера скользящего окна при агрегации разнородных каналов.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ предложен «Комплекс моделей поддержки системы автоматизированного оптимального проектирования резервированных вычислительных сетей».

Предложены варианты организации резервированных каналов, в зависимости от организации:

• множественного доступа к резервированным каналам при формировании запроса на доступ к одному каналу или к некоторой совокупности каналов при требовании предоставления в результате процедуры доступа хотя бы одного из них либо всей совокупности затребованных каналов;

• распределения пакетов для передачи, включая их фрагментацию и распараллеливание передачи по предоставленным в результате доступа каналам;

• организации дублированной или троированной передачи пакетов одновременно по нескольким каналам, предоставленным в результате процедуры множественного доступа.

• процедуры повторных передач при потере или искажении передаваемых пакетов.

Рассмотрим первый вариант, при котором исходный поток требований распределяется между т каналами фиксированным, заранее определенным способом. Агрегированный канал интерпретируется совокупностью СМО типа М/М/1.

Среднее время пребывания требования: 7| = г / (1 - С Л / т), где / = 1 / ¡л; ц — интенсивность обслуживания (1/с); Я - интенсивность входного потока пакетов (1/с). Достоинством данного способа является простота организации доступа к ресурсам.

Рассмотрим второй вариант, при котором каждый пакет разбивается на фрагменты, и по каждому каналу отправляется 1/от-я часть пакета. Разбивка пакета на т частей увеличивает интенсивность входного потока в т раз, но для каждого канала интенсивность входного потока будет по-прежнему составлять Л.

Среднее время пребывания пакета определяется максимальным временем пребывания части пакета в одном из каналов, но так как пакет разбивается на части равной длины, а каналы имеют идентичные характеристики (в рамках рассматриваемой модели), то время пребывания всех частей одинаково между собой и, без учета повторных пересылок из-за искажений или потери, равно Т1 = ((/т)/(1-а/т) = е/(т-1Л).

Достоинством данного способа является уменьшение среднего времени пребывания требования в системе.

Рассмотрим третий вариант, при котором каждый пакет отправляется по первому освободившемуся каналу. Такая организация доступа к ресурсам интер-

претируется СМО типа М/М/т, для которой среднее время пребывания требова-

ния

Ро =

Т3=т/М + Ря/и(}-р),

^ (тр)

где

Р_ =

_рЛтр)т.

(1 -р)т\'

Р = -

т/л

к\

(1 -р)т\

На рисунке 1 представлена зависимость среднего времени пребывания требования в системе от интенсивности входного потока. Расчет проведен при т = 5 пгг, ц = 100 1/с.

Т, (с) о озт-

450

Л, (1/С)

Рисунок 1 — Зависимость среднего времени пребывания требования в системе от интенсивности входного потока

Из графиков видно, что первый вариант; предусматривающий фиксацию каналов за узлами, уступает остальным по среднему времени пребывания требования в системе. При фиксированном разделении каналов между узлами пропускная способность агрегированного канала используется неэффективно. Этот вариант может быть применен в случаях, когда некоторым абонентам требуется обеспечить особые условия по времени доступа. Рациональным является второй вариант, при котором исходный пакет разбивается на части, и каждая часть отправляется по своему каналу. Этот вариант взят за основу предлагаемого алгоритма распределения блоков по каналам.

Предлагаемый алгоритм распределения блоков данных предусматривает оптимизацию фрагментации кадров перед их отправкой и распределения кадров по нескольким каналам. Задача оптимизации сводится к минимизации функции максимального времени отправки всех кадров из одной очереди:

^ = шах

К1 +/м

Кг+Ьг Ьп

Кп+к Ьг

V 2

где п - число агрегированных каналов (шт); 1оп — оптимальная длина кадра для п-го канала (бит); //,„ — объем служебной информации, присоединяемой к кадру в

и-м канале (бит); Ъг„ - битовая скорость передачи в п-м канале (бит/с); /л, - средняя величина задержки начала отправки кадра в я-м канале (с); к„ — число кадров исходного пакета, определяемых к отправке через п-й канал (шт).

Построена модель сети с фрагментацией блоков данных с учетом возможности их повторных передач. Правильность передачи каждого фрагмента может подтверждаться квитанцией получателя. Рассмотрим случай, где подтверждения формируются для каждого успешно полученного пакета.

Вероятность успешной доставки кадра за одну попытку передачи определим как р] - ехр(-(Ч'0 / к + \'аск )Л), где Уо - время передачи пакета (с); \'аск - время

передачи подтверждения успешного приема кадра (с); к - количество кадров, на которое осуществляется фрагментация исходного пакета (шт); Я — интенсивность сбоев при передаче (1/с).

Математическое ожидание времени доставки кадра определяется как:

л. л, л ( -Оч

frame

/-1

L + v„.

1-е ^

- + v„,

Предлагаемые модели позволяют находить оптимальный вариант фрагментации (значение ко), при котором суммарное время передачи пакета минимально. Рисунок 2 иллюстрирует зависимость оптимального числа кадров к при фрагментации и соответствующее среднее время пребывания пакета в системе от интенсивности входного потока. Расчет проведен при \'о = 10"2 с, \-аск = 10"4 с.

к, (шт)

; пл £2 г—" *■'

« ».

i г:

TErnvnk= 1 /:'

-Li \ /

ТЕг при к — 50 *

ТЕг при к = ко(/.)

Т,( с)

40

80 (1/с)

Рисунок 2 — зависимость оптимального числа кадров от интенсивности

входного потока

В рассматриваемый набор типовых решений, используемых при выборе рациональных вариантов построения резервированной телекоммуникационной среды, включены варианты организации обмена по резервированным каналам на верхних и нижних уровнях модели 081. Обеспечение надежности доставки на верхних уровнях исключает необходимость нумерации кадров на нижних уровнях и, соответственно, позволяет избежать увеличения объема служебной информации. Функция распределения блоков данных по физическим каналам может быть возложена на канальный уровень - протоколы канального

уровня могут взаимодействовать с одним или несколькими физическими каналами, контролируя и управляя этим взаимодействием. Использование канального уровня для организации обмена через резервированный канал позволяет повысить эффективность использования пропускных способностей физических каналов. Для повышения эффективности и достижения отказоустойчивости при обеспечении гарантированной доставки каждого сообщения требуется организация адаптивного распределения кадров по каналам, учитывающего значения характеристик каналов, что в свою очередь может приводить к возникновению дубликатов и перестановок в потоке принятых кадров. Для решения указанных проблем предложена модель передачи данных по резервированным каналам со скользящим окном. Размер скользящего окна влияет на максимально достижимую эффективность использования пропускной способности резервированных каналов. При размере окна, равном единице, алгоритм сводится к алгоритму ARQ с остановкой и ожиданием, при котором простои занимают значительную долю времени. При слишком большом размере скользящего окна повторная передача кадра осуществляется спустя больший промежуток времени, что ведет к росту математического ожидания времени успешной доставки кадра.

Адаптация известного алгоритма скользящего окна для использования в сети с резервированием каналов является нетривиальной задачей, так как в сети без резервирования каналов нумерация кадров происходит на канальном уровне одного физического канала. В сети с резервированием каналов нумерация кадров, посылаемых по всем каналам, входящих в состав агрегированного, должна быть единой, поэтому нумерацию необходимо производить на подуровне агрегирования каналов. При агрегировании разнородных физических каналов следует учитывать различия в форматах кадров. Например, максимальный размер кадра Ethernet составляет 1518 байт, а кадра стандарта IEEE 802.11 g - 2346 байт. Соответственно, поле кадра, выделяемое для порядкового номера, будет занимать разную долю по отношению к полезным данным кадра, что необходимо учитывать при оптимизации распределения кадров по каналам.

Для исследования алгоритма ARQ построена имитационная модель на базе MATLAB/Simulink. В рамках данной модели кадры передаются по каналам и подвергаются воздействию ошибок с вероятностью, определяемой характеристиками канала. Для каждого полученного кадра приемник отправляет сообщение об успешной передаче (АСК) или об ошибке (NAK) по обратному каналу. Решение о наличии ошибки в полученном кадре принимается на основании проверки циклического избыточного кода. При получении сообщения NAK передатчик осуществляет повторную передачу кадра. Функциональная схема передатчика представлена на рисунке 3.

Скользящее окно является общим для всех физических каналов, что позволяет оптимально распределять кадры по каналам, в том числе производить повторную передачу кадра по каналу, отличному от канала, использованного при его изначальной передаче. В случае импульсных помех в физическом канале такой алгоритм способен привести к значительному сокращению повторных передач по сравнению с алгоритмом, в котором повторные передачи выполняются всегда по одному и тому же каналу.

Sliding window control

ACK and retransmission control Рисунок 3 - Функциональная схема передатчика в имитационнной модели

Результат имитационного моделирования работы вычислительной сети в течение 10 мс, отражающий моменты отправки и получения кадров с указанием их порядковых номеров SN, представлен на рисунке 4.

Из рисунка 4 видно, что:

• в случае ошибки кадр может быть передан по другому каналу (кадры №0, №40);

• согласно алгоритму скользящего окна система осуществляет передачу кадров №20-24, не дожидаясь подтверждения получения кадра №19, причем кадры отправлены по разным физическим каналам;

• повторная отправка кадра осуществляется менее, чем через 2,5 мс (кадр

№23).

Таким образом, построенная имитационная Simul ink-модель позволяет оценить характеристики производительности сети, связанные с параметрами распределения кадров по резервированным физическим каналам и размера скользящего окна.

Модель учитывает физические характеристики каждого канала и может быть применена при моделировании сети с произвольным числом параллельных каналов, что позволяет использовать ее при проектировании отказоустойчивых вычислительных сетей.

XV 50 40 30 20 10

л

Ж

■о

а'!'

-А.

^ *

о **х

о

7

10

х 1й канал + 2й канал Ж Зй канал «отвергнуто * принято (мс) Рисунок 4 - Результат моделирования работы сети с резервированием каналов

Для определения конфигурации сети и кратности резервирования каналов передачи данных предлагается модель, позволяющая осуществлять целочисленную оптимизацию структуры. Предлагается алгоритм и его программная реализация для решения оптимизационной целочисленной задачи проектирования вычислительных систем в среде МаЛСЛЭ. Алгоритм позволяет определять оптимальную конфигурацию каналов передачи данных, обеспечивающую максимум целевой функции и соблюдение ряда ограничений, например стоимости системы. Рассмотрена система сбора данных с N групп датчиков, измерительных и управляющих проборов, каждая из которых подключена к устройству сбора данных через резервированный канал. Условием работоспособности системы является доступность всех групп датчиков и приборов. Целевой функцией Ат(а) может являться показатель надежности, производительности системы или аддитивный/мультипликативный. Аддитивный критерий можно представить в виде:

Ат(а) = аР+———, где а - весовой коэффициент показателя надежности; То -Т / Т0

нормировочное значение показателя производительности, определяемое как:

Г0 = Мах

Л'

; /5=П

м

■л

; Ь - время до-

ставки данных до устройства сбора данных по каналам 1-го типа (с), определяемое как: /, = /, / (^ЙЛ,); /, - объем данных, пересылаемых по каналу /-го типа (бит); Л' — число типов каналов (шт); Р] — вероятность работоспособности канала у'-го типа; п) - количество каналов у'-го типа (шт); g/ - минимально допустимая кратность резервирования канала /-го типа (шт); 6/?у— пропускная способность канала /-го типа (бит/с); Я/ - интенсивность входного потока требований по каналу ¿-го типа (1/с); Я - интенсивность входного потока требований (1/с), опреде-

N

ляемая как: Л = ^Л1.

Зависимость оптимального числа каналов от стоимости канала 1-го типа С] представлена на рисунке 5 а), а от величины суммарных средств на построение системы - на рисунке 5 б). При увеличении стоимости канала 1-го типа количество таких каналов в системе уменьшается, а при достижении стоимости пороговой величины количество каналов 1-го типа становится равным минимальному ограничению ф. Расчет проведен при С\ = 20 у.е., Сг = 25 у.е., Сз = 23 у.е., Р) = 0.91, Рг = 0.75, Ръ = 0.67, = 1 шт, = 2 шт, ^з = 1 шт, ВД = 50 -103 бит/с, В Иг = 60-Ю3 бит/с, ВЯ з = 54 103 бит/с, 1\ = 2048 бит, к = 1024 бит, /3 = 1024 бит, N = 3 шт.

и, (шт) п, (шт)

0 10 40 60 80 100 100 200 300

а) С„ (у.е.) б) тахС, (у.е.)

Рисунок 5 - Зависимость числа каналов: а) от стоимости канала 1-го типа, б) от ограничения на стоимость системы

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ предлагается «Методика проектирования высоконадежных вычислительных сетей с резервированием каналов».

В случае агрегирования разнородных каналов (например, проводных и беспроводных) каждый канал, входящий в состав агрегированного, характеризуется значением суммарного объема служебных данных Уа, присоединяемых к каждому кадру на канальном уровне. Это значение определяется необходимостью присоединения порядкового номера кадра в последовательности, образующей один пакет, а также особенностями физического канала (присоединение битов синхронизации, стартовых и стоповых битов, контрольной суммы). Каждый канал характеризуется своей оптимальной длиной кадра, зависящей от битовой скорости передачи, вероятности сбоев и отказов.

Для оценки каждого варианта распределения кадров по каналам используется имитационная модель, представленная в главе 2 диссертационной работы. Для автоматизации поиска оптимальных решений при использования имитационной модели в процессе проектирования предложена система поддержки поиска оптимальных решений, реализованная в виде МАТЬАВ-скрипта.

Алгоритм работы системы поддержки выбора оптимальных решений (МАТЬАВ-скрипта) представлен на рисунке 6.

вание модели для системы поддержки выбора оптимальных решений

Входными данными для системы поддержки выбора оптимальных решений на основе МАТЬАВ-скрипта являются:

1. Характеристики каналов, представленные в виде матрицы.

2. Длина пакета, подлежащего пересылке (бит).

3. Целевая функция оптимизации (математическое ожидание, среднеквадрати-ческое отклонение или их аддитивный/мультипликативный критерий).

Выходными данными являются:

1. Оптимальное значение целевой функции.

2. Вариант распределения кадров, соответствующий оптимальному значению целевой функции.

В расчетах используются усредненные результаты, полученные после N итераций имитационного моделирования, число итераций N является изменяемым параметром.

Пример результата работы алгоритма оптимизации распределения кадров по трем каналам визуализирован на рисунке 7. На осях х и у представлены доли сообщения, отправленные по первому и второму каналу, соответственно (доля сообщения, отправленная по третьему каналу, может быть определена по остаточному принципу). По оси г отложен целевой критерий, равный в данном случае математическому ожиданию суммарного времени доставки пакета (с).

Результаты оптимизации, полученные на этапе проектирования, могут быть использованы при организации процессов функционирования вычислительной сети. Оценка целесообразности оптимизации в процессе функционирования сети требует дополнительных исследований, не относящихся к предмету диссертационной работы, посвященной проблемам проектирования вычислительных систем.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ описаны результаты «Применения методики проектирования при разработке вычислительной сети на ОАО «СПЕКТР»,

предназначенной для сбора данных с производственного оборудования предприятия при повышенных требованиях к надежности и ограничениях на стоимость реализации системы.

Разработанная методика проектирования и, в частности, модели надежности и производительности были успешно применены в ходе проектирования вычислительной сети комплекса автоматизированной системы управления технологическим процессом цеха трансформаторного производства ОАО «СПЕКТР». На предприятии ОАО «СПЕКТР» в производстве витых магнитопроводов задействовано автоматическое и полуавтоматическое оборудование. Цех трансформаторного производства ОАО «СПЕКТР» включает 138 единиц оборудования, расположенные на двух этажах, из них 7 единиц имеет числовое программное управление, которые согласно ТЗ требовалось объединить в АСУ ТП.

Разработанная методика применена в ходе проектирования составной части АСУ ТП, а именно вычислительной сети, объединяющей производственное оборудование и управляющие компьютеры. Для проектирования вычислительной сети АСУ ТП потребовалось решить следующие задачи:

1. Определение количества и конфигурации устройств, входящих в вычислительную сеть, обеспечивающих требуемые параметры надежности, производительности и стоимости.

2. Выбор кратности резервирования узлов и каналов передачи данных вычислительной сети.

3. Выбор организации резервированных каналов передачи данных, распределения и фрагментации кадров данных.

В процессе проектирования исследованы варианты конфигурации сети при оценке их надежности и производительности. Выбрана конфигурация системы с дублированием коммутаторов и коммуникационных модулей на узлах сбора данных.

В результате проектирования определена конфигурация вычислительной сети с коммуникационной подсистемой на базе физических каналов Industrial Ethernet и Industrial Wi-Fi с использованием оборудования компании МОХА.

Применение результатов диссертационной работы при проектировании АСУ ТП на ОАО «СПЕКТР» подтверждено соответствующим актом внедрения.

Основные результаты диссертационной работы.

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

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

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

неоднородным резервированным каналам с учетом возможности сбоев и накопления отказов.

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

4. Предложена имитационная модель процесса распределения блоков данных по резервированным каналам, которая позволяет в процессе проектирования осуществить количественный выбор параметров организации обмена через коммуникационную подсистему с различными характеристиками каналов.

5. Предложена имитационная модель и MATLAB-скрипт, автоматизирующий ее использование при проектировании с целью определения рационального варианта распределения кадров по разнородным каналам для оптимизации показателей производительности сети.

6. Предложен метод распределения запросов по резервированным каналам, суть которого состоит в оптимальной фрагментации исходных сообщений и последующем рациональном распределении, определенном с помощью имитационного моделирования.

7. Результаты работы использованы при разработке автоматизированной системы управления технологическим процессом на ОАО «СПЕКТР», что подтверждено актом внедрения.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Осипов А. В., Богатырев В. А. Варианты объединения разнотипных каналов вычислительной сети // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2012. — Вып. №2 (78)/2012. — С. 145. — ISSN 2226-1494

2. Богатырев В. А., Евлахова А. В., Котельникова Е. Ю., Богатырев С. В., Осипов А. В. Организация межмашинного обмена при резервировании магистралей // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. — 2011. — Вып. №2 (72)/2011. — С. 171. — ISSN 1819—222Х

3. Осипов А. В., Богатырев В. А. Организация обмена через резервированные магистрали локальных сетей управления машинами и агрегатами // Технико-технологические проблемы сервиса. — 2012. — Вып. №4 (22). — С. 48—52. — ISSN 2074-1146

4. Осипов А. В., Богатырев В. А. Имитационная модель обмена в системе компьютерного управления с реализацией скользящего окна при резервировании магистралей // Технико-технологические проблемы сервиса. — 2013. — Вып. №1 (23). — С. 47—54. — ISSN 2074-1146

5. Осипов А. В. Распределение фрагментированных кадров по резервированным каналам вычислительной сети // Научно-Технический Вестннк Информационных технологий, механики и оптики. — 2013. — Вып. №2 (84)/2013. — С. 84—88. — ISSN 2226-1494

Публикации в других изданиях:

1. Осипов А. В. Безопасность в информационных системах // Актуальные проблемы экономики в творчестве студентов: Сб. статей / Редкол.: Б. М. Гешсин (отв. ред.) [и др.] — СПб.: СПбГИЭУ, 2008. — 199 с. — С. 123—125.

2. Осипов А. В. Оптимизация в проектировшпш многоуровневых систем управления // Современные проблемы прикладной информатики: Сб. науч. трудов научно-практической

конференции по современным проблемам прикладной информатики. 19-20 мая 2009 года: — СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. — 160 с. — С.150—155.

3. Осипов А. В., Богатырев В. А. Целочисленное решение задач оптимального резервирования многоуровневых систем управления // Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. — Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет: в 2 ч. — 4.2. — 2009. —184 с. — С. 102—106.

4. Осипов А. В. Целочисленное решение задач оптимизации компьютерных систем в среде MathCAD // Сборник трудов конференции молодых ученых, Выпуск 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ / Главный редактор д.т.н., проф. В.Л. Ткалич. — СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. —301 с. — С. 253—258.

5. Осипов А. В., Богатырев В. А. Целочисленная оптимизация многоуровневых компьютерных систем в среде MathCAD // Информационные системы и технологии: теория и практика: сб. науч. тр. Вып. 2 / отв. ред. А. М. Заяц. — СПб.: СПбГЛТА, 2009. — 128 с. — С. 24—30.

6. Осипов А. В., Котельникова Е. Ю. Целочисленная оптимизация в проектировании автоматизированных систем управления // Сборник научных работ аспирантов и студентов СПбГУ ИТМО. — СПб.: СПбГУИТМО, 2009. — С. 82—84.

7. Осипов А. В. Помехоустойчивость передачи информации в ISM диапазоне // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 1. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н„ проф. В.О. Никифоров. — СПб: СПбГУ ИТМО, 2010.—235 е. —С. 81— 82

8. Осипов А. В. Беспроводные технологии в задачах интеллектуализации бытовой техники // Социально-экономические аспекты сервиса: современное состояние и перспективы развития. Сборник научных статей по итогам IV Межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов и аспирантов (12-14 апреля 2010). — СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2010. —331 с. — С. 102—105.

9. Осипов А. В., Богатырев В. А. Оценка оптимальности топологии беспроводной сенсорной сети //XXXIX Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Ч. VIII. —СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. — 174 с. —С. 23—25.

10. Осипов А. В., Богатырев В. А. Оценка надежности сети ZigBee // Информационные системы и технологии: теория и практика. Сборник научных трудов. Выпуск 3. Часть 1. — СПб.: Издатсльско-полиграфический отдел СПбГЛТА, 2011. — 80 с. — С. 21—25.

11. Осипов А. В. Применение методов векторной оптимизации при выборе протокола беспроводной связи // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2011». Том 1 .Транспорт. — Одесса: Черноморье, 2011. — С. 28—32. — ISBN 966-555192-2

12. Осипов А. В. Многокритериальная оптимизация при выборе стандарта беспроводной связи // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 1. — СПб: СПбГУ ИТМО, 2011, —295 с. — С.109—112.

13. Осипов А. В. Построение беспроводных сенсорных сетей на основе стандарта ZigBee // Научный потенциал молодежи - будущее России [Электронный ресурс]: III Всероссийские научные Зворыкинские чтения: сб. тез. докл. III Всероссийской молодежной научной конференции. Муром, 22 апр. 2011 г. — Муром: Изд. полиграфический центр МИВлГУ, 2011. — 964 е.: ил. — 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). — С.532. — ISSN 2222-5110

14. Осипов А. В. Расчет надежности передачи пакета данных между двумя узлами сети ZigBee // Сборник трудов молодых ученых и сотрудников кафедры ВТ. Выпуск 2 / Под ред. д.т.н., проф. Т. И. Алиева, — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. — 100 с.— С. 55—59.

15. Осипов А. В. Применение беспроводных технологий для задач мониторинга в северных территориях России // Перспективы развития северных территорий России: соци-

ально-экономический аспект: Сборник трудов межвузовской научно-практической конференции. Часть 2 (стр. 134—271). СПб.: ГПА, 2011. —271 с. — С. 252—256. — ISBN 978-5-98193055-3

16. Осипов А. В. Исследование вариантов сегментации пакетов в каналах с высоким уровнем помех // Materiaty VII Miçdzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowanias? паиЦ i technikami - 2011» Volume 53. Nowoczesne infonnacyjne technologie: Przemysl. Nauka i stadia, 2011. — 88 с. — C. 24—26. — ISBN 978-966-8736-05-6

17. Осипов A.B., Фролова H. И. Оптимальная сегментация пакетов в беспроводных сетях // XL Неделя науки СПбГПУ : материалы международной научно-практической конференции. Ч. VIII. — СПб. : Изд-во Политехи, ун-та, 2011. —184 с. — С. 148—150.

18. Осипов А. В. Моделирование энергопотребления чипсетов беспроводной связи // Региональные аспекты инновшшонного развития сферы сервиса в современных условиях: Сборник материалов IX научно-практической конференции студентов и аспирантов (с международным участием). Том II. / Под ред. к.с.н., проф. Н.В. Исаева. — СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2011. — 159 с. — С. 143-145. — ISBN 978-5-228-00490-0

19. Осипов А. В. Моделирование потребления энергии чипсетами Bluetooth, UWB, ZigBee и Wi-Fi // Исследования молодежи - экономике, производству, образованию. II Всероссийская молодежная научно-практическая конференция, Сыктывкар, Сыктывкарский лесной институт, 20-21 апреля 2011 года Сборник материалов. / Под ред. Большакова Н. М. — Сыктывкар: Научное атектронное издание на компакт-диске, 2011.— С. 77-79.

20. Осипов А. В., Фролова Н. И. Задача оптимизации при сегментации пакетов в беспроводных сетях // Сборник трудов молодых ученых и сотрудников кафедры ВТ. Выпуск 3 / Под ред. д.т.н., проф. Т. И. Алиева. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2012. — 94 с. — С. 44—46.

21. Осипов A.B., Богатырев В. А. Организация подуровня агрегирования каналов в высоконадежных вычислительных сетях // Лесной сектор экономики: проблемы и пути решения: труды V международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов/ отв. ред. А. И. Кораблев. — Спб.: СПбГЛТУ, 2013. — С. 52—58.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812)233 46 69 Объем 1,0 у.п.л. Тираж 100 экз.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

На правах рукописи

04201357511

с

Осипов Андрей Владимирович ^

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С РЕЗЕРВИРОВАННЫМИ КАНАЛАМИ

ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

(приборостроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, Богатырев Владимир Анатольевич

Санкт-Петербург - 2013

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

5

ГЛАВА 1. Задачи автоматизированного проектирования высоконадежных вычислительных сетей..................................................................................................11

1.1. Особенности проектирования высоконадежных вычислительных.............11

1.1.1. Требования к распределенным системам управления..........................13

1.2. Стандарты организации сетей с резервированными каналами....................16

1.2.1. Балансировка нагрузки и обеспечение отказоустойчивости каналов средствами Windows Server 2012............................................................19

1.2.2. Агрегирование по протоколу SMB Multichannel...................................23

1.2.3. Алгоритмы распределения блоков данных по резервированным каналам.......................................................................................................24

1.3. Проблемы проектирования сетей с резервированными каналами...............30

1.3.1. Распределение пропускной способности резервированных каналов ..30

1.3.2. Проблема нарушения порядка следования кадров................................33

1.4. Существующие подходы к проектированию вычислительных сетей.........37

1.4.1. Применение систем поддержки принятия решений..............................37

1.4.2. Применение комбинаторных методов и методов эволюционного моделирования...........................................................................................38

1.5. САПР вычислительных сетей с резервированием каналов..........................39

1.6. Выводы...............................................................................................................42

ГЛАВА 2. Комплекс моделей поддержки системы автоматизированного оптимального проектирования резервированных вычислительных сетей.............44

2.1. Выбор показателей надежности вычислительной сети.................................44

2.2. Проблема множественного доступа в сетях с интеграцией гетерогенных каналов................................................................................................................46

2.3. Выбор рационального варианта организации доступа к среде....................48

2.4. Варианты объединения каналов......................................................................54

2.4.1. Реализация механизмов организации обмена по резервированным каналам на верхних уровнях сетевой модели........................................55

2.4.2. Реализация механизмов организации обмена по резервированным каналам на нижних уровнях сетевой модели.........................................60

2.5. Алгоритм DPB распределения блоков данных по резервированным каналам

65

2.5.1. Выбор варианта организации обмена через резервированные каналы65

2.5.2. Схема алгоритма DPB...............................................................................68

2.6. Модель вычислительной сети с распределением кадров по резервированным каналам................................................................................70

2.6.1. Модель системы с фрагментацией блоков данных и повторной передачей....................................................................................................73

2.6.2. Модель передачи данных по резервированным каналам со скользящим окном..........................................................................................................83

2.7. Структурная оптимизация резервированной вычислительной сети............95

2.8. Выбор типа физического канала....................................................................100

2.9. Выводы.............................................................................................................105

ГЛАВА 3. Методика проектирования высоконадежных вычислительных сетей с резервированием каналов...........................................................................................106

3.1. Процедура проектирования вычислительных сетей....................................106

3.2. Выбор целевой функции и параметров оптимизации.................................108

3.3. Определение топологии сети.........................................................................109

3.4. Определение физических каналов, используемых для построения сети.. 110

3.5. Способ организации резервированных физических каналов.....................112

3.6. Алгоритм распределения кадров по каналам...............................................115

3.7. Задача оптимизации размера скользящего окна..........................................117

3.8. Определение способа распределения блоков данных.................................119

3.9. Выводы.............................................................................................................125

ГЛАВА 4. Применение методики проектирования при разработке вычислительной сети на ОАО «СПЕКТР»...............................................................126

4.1. Общие требования к АСУ ТП........................................................................126

4.2. Описание объекта автоматизации.................................................................128

4.3. Конфигурация вычислительной сети............................................................130

4.4. Выводы.............................................................................................................132

Заключение...................................................................................................................133

Список литературы......................................................................................................135

Список сокращений.....................................................................................................147

Приложение А..............................................................................................................150

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

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

Основным методом повышения надежности и отказоустойчивости системы является введение избыточности. Резервирование каналов передачи данных находит широкое применение, так как благодаря агрегированию каналов:

1. Пропускную способность вычислительной сети можно наращивать инкре-ментно.

2. Агрегированный канал, состоящий из нескольких физических каналов, обладает отказоустойчивостью.

3. Единица пропускной способности агрегированного канала может быть дешевле по сравнению с каналом аналогичной пропускной способности, реализованного без агрегирования.

Одновременное использование нескольких каналов связано с вариантностью организации обмена. Используемые в настоящее время стандарты, протоколы и средства агрегирования в подавляющем большинстве направлены на объединение однородных каналов.

Интерес представляет возможность использования каналов различной физической природы, в том числе проводных и беспроводных. Объединение разных сред для передачи информации позволяет адаптивно использовать их особенности, например, то, что проводные каналы невосприимчивы к радиопомехам в эфире, а в беспроводных каналах невозможен обрыв/повреждение кабеля. Широкое применение агрегирования разнородных каналов обусловлено также трудностью масшта-

бирования кабельной системы эксплуатируемых объектов при относительной легкости подключения дополнительных беспроводных каналов, позволяющих, кроме того, предоставлять услуги мобильной передачи данных.

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

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

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

Предмет исследования - методы проектирования вычислительных сетей с резервированными каналам.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

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

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

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

Практическая ценность работы состоит в следующем:

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

2. Предложена имитационная модель процесса распределения блоков данных по резервированным каналам, которая позволяет в процессе проектирования осуществить количественный выбор параметров организации обмена через коммуникационную подсистему с различными характеристиками каналов.

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

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе», Марийский государственный технический университет, 2009 г, г. Йошкар-Ола; VI (14-17 апреля 2009 г), VII (20-23 апреля 2010 г), VIII (12-15 апреля 2011 г) Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПбГУ ИТМО, г. Санкт-Петербург; Второй научный конгресс студентов и аспирантов ИНЖЭКОН-2009, 22-23 апреля 2009 г, г. Санкт-Петербург; IV Межвузовская научно-практическая конференция студентов, магистрантов и аспирантов «Социально-экономические аспекты сервиса: современное состояние и перспективы развития», СПбГУСЭ, 12-14 апреля 2010 г, г. Санкт-Петербург; Международная научно-практическая конференция «XXXIX (2010 г), XL (2011 г) Неделя науки СПбГПУ», г. Санкт-Петербург; Международная научно-практическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2011», 2011 г, г. Одесса; III Всероссийская молодежная научная конференция «Научный потенциал молодежи - будущее России», III Всероссийские научные Зворыкинские чтения, 22 апреля 2011 г, г. Муром; Межвузовская научно-практическая конференция «Перспективы развития северных территорий России: соци-

ально-экономический аспект», ГПА, 2011 г, г. Санкт-Петербург; VII Международная научно-практическая конференция «Перспективные направления в науке и технике - 2011», 2011 г, г. Пшемысль, Польша; IX научно-практическая конференция студентов и аспирантов (с международным участием) «Региональные аспекты инновационного развития сферы сервиса в современных условиях», СПбГУСЭ, 2011 г, г. Санкт-Петербург; II Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Исследования молодежи - экономике, производству, образованию», Сыктывкарский лесной институт, 20-21 апреля 2011 года, г. Сыктывкар; У-я международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Лесной сектор экономики: проблемы и пути решения», СПбГЛТУ 2012 г, г. Санкт-Петербург; I Всероссийский конгресс молодых ученых, г. Санкт-Петербург, НИУ ИТМО, 2012; ХЫ (2012 г), ХЫ1 (2013 г) научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург, НИУ ИТМО.

Достоверность полученных результатов обусловлена корректностью используемого математического аппарата, подтверждена имитационным моделированием, экспертизами работы при получении грантов, а также результатами внедрения. Полученные результаты согласованны с данными других исследований в отечественной и зарубежной литературе.

Реализация и внедрение результатов работы. Положения разработанной методики использовались при создании эскизного проекта сети сбора данных технологического процесса производства на предприятии ОАО «СПЕКТР», что подтверждается актом о внедрении.

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

Исследования поддержаны:

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

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

3. Стипендией Президента Российской Федерации на 2011/2012 учебный год.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ, включая 5 статей

в изданиях из перечня ВАК.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

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

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

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

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

ГЛАВА 1. ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

В данной главе рассматриваются основные требования к автоматизированным системам управления (АСУ), существующие технологии агрегирования физических каналов, их преимущества, а также недостатки, ограничивающие их использование. Рассматриваются проблемы проектирования вычислительных сетей с резервированием разнородных каналов.

1.1. Особенности проектирования высоконадежных вычислительных

Структура и сложность существующих вычислительных сетей варьируются в широком диапазоне: от узкоспециализированных, предназначенных для выполнения конкретных задач в услови