автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Модели, способы и алгоритмы унификации программного обеспечения компьютерной сети на основе технологии виртуализации

На правах рукописи

ДЬЯЧЕНКО Евгений Анатольевич

МОДЕЛИ, СПОСОБЫ И АЛГОРИТМЫ УНИФИКАЦИИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛИЗАЦИИ

05.13.11 — Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

11 ДЕК 2013

005543494

Тула 2013

005543494

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор ЛАРКИН Евгений Васильевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

ЕСИКОВ Олег Витальевич

Доктор технических наук, профессор ПРИВАЛОВ Александр Николаевич

Ведущая организация:

ОАО «АК «Центральный научно-исследовательский институт систем управления», г. Тула

Защита состоится « 27 » декабря 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.07 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, проспект Ленина, 92, 9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан « 26 » ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Ф.А. Данил кин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание программного обеспечения (ПО) компьютерных сетей (КС) в последнее время превратилось в важную и мощную сферу промышленности. При разработке ПО основной задачей фирм-разработчиков является обеспечение их успеха на рынке. Для этого необходимо, чтобы программы обладали следующими качествами: функциональностью, т.е. полнотой удовлетворения потребностей пользователя; наглядностью, удобным, интуитивно понятным и привычным пользователю интерфейсом; простотой освоения начинающими пользователями; надежностью, т.е. устойчивостью к ошибкам пользователя, отказам оборудования, разумностью поведения программы в этих ситуациях; стандартизацией и унификацией.

Преобладающими в развитии программного обеспечения являются следующие тенденции: объединение противоречивых свойств, таких как универсализация и специализация. Такой подход позволяет разработчикам удовлетворить потребности большого количества потребителей.

Однако реализация указанных требований к ПО сопряжено необходимостью внедрения нового системного программного обеспечения для вновь появившихся прикладных программных систем.

Указанные трудности можно преодолеть с помощью стандартизации и унификации. Применительно к программному обеспечению унификация позволяет сократить количество разнотипных программных и информационных модулей, программных интерфейсов, используемых в различных программных системах, а также уменьшить многообразие языковых средств, операционных систем и технологий разработки ПО. Это позволит снизить сроки и стоимость разработки прикладных программных систем, повысить удобство работы пользователя.

Вопросы математического обеспечения и разработки алгоритмов решения задач унификации изделий, в том числе и компьютерных средств, а также разработки моделей для оценки и оптимизации качества информационно-вычислительного процесса в компьютерных сетях рассматриваются в ряде работ отечественных и зарубежных авторов: Береснев В.Л., Гимади Э.Х., Дементьев В-Т., Балыбердин В.А., Алексеев О.Г., Киселев В.Д., Есиков О.В., Привалов А.Н., Сергиенко И.В., Финкельштейн Г.Ф., Янбых Б.А., Гэри М., Джонсон Д., Эрлен-котгер Д., Фишер М.Л., Краруп Дж., Миршандани П.Б. и другие. Однако необходимо отметить, что в этих работах не в полной мере учтено появление новых компьютерных технологий, в том числе, технологии виртуализации, внедряемых на базе современных компьютерных средств, не учтены вновь открываемые возможности применения новых способов улучшения показателей качества функционирования КС. Кроме того, известные подходы к решению задач унификации ПО практически не рассматривают наиболее сложную задачу - унификацию системного ПО.

С одной стороны, применительно к системному ПО унификация — это эффективный метод устранения излишнего многообразия операционных сред, драйверов и интерфейсов посредством сокращения перечня допустимых элементов и решений, а также за счёт приведения их к однотипности. Например, сокращение многообразия операционных систем (ОС) можно осуществить путём замены ре-

з

альных системных программных модулей на виртуальную реализацию выполняемых ими функций под управлением ОС одного типа

С другой стороны, всякая унификация ведет к увеличению объёмной, временной и функциональной избыточности, как отдельных программных модулей, ■ так и в целом программных систем. Виртуальные технологии тоже требуют дополнительных ресурсов внешней памяти и процессорного времени. Это может привести к ухудшению временных и надёжностных характеристик отдельных модулей прикладного и системного ПО, а также к снижению качества функционирования всей сети в целом. В связи с этим возникает задача выбора оптимальной степени унификации ПО, в данном случае, выбора оптимального сочетания в компьютерной сети виртуальных и реальных программных средств.

Таким образом, для повышения качества функционирования и организации более эффективного применения КС необходимо наряду с другими вопросами решать достаточно сложную задачу выбора оптимальной степени унификации ПО, в том числе и системного ПО, учитывая при этом появление новых компьютерных технологий.

Научная задача диссертационной работы — разработка моделей, способов и алгоритмов выбора оптимальной степени унификации ПО КС, осуществляемой на основе применения технологии виртуализации.

Объект исследования — корпоративная компьютерная сеть предприятия. Предмет исследования — математические модели, способы и алгоритмы оптимальной унификации ПО КС предприятия с применением технологии виртуализации.

Цель работы — обеспечение заданных показателей качества функционирования компьютерной сети наименьшими затратами за счёт унификации ПО КС с учётом применения технологии виртуализации.

Поставленная цель достигается путем решения следующего комплекса взаимосвязанных задач:

анализ факторов, влияющих на эффективность функционирования КС предприятия, и показателей для оценки эффекта от унификации ПО КС;

разработка способа унификации ПО КС на основе технологии виртуализации;

разработка методики выбора оптимальной степени унификации ПО КС; разработка математических моделей и алгоритмов выбора оптимальной степени унификации ПО КС;

разработка имитационной модели для оценки показателей качества функционирования компьютерной сети и различных вариантов проектных решений по унификации ПО КС;

разработка программного средства для проверки работоспособности и эффективности разработанных алгоритмов решения задачи унификации ПО КС.

Методы исследований. В основу работы положены методы исследования операций, имитационного моделирования, элементы теории вероятностей и математической статистики.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

л

1. Способ унификации ПО КС на основе технологии виртуализации и методика выбора оптимальной степени унификации ПО КС по критерию минимума суммарных затрат, позволяющие обеспечить заданные показатели качества функционирования КС.

2. Математическая модель выбора оптимальной степени унификации ПО КС по экономическому критерию, основанная на классической задаче унификации изделий с учётом введения дополнительных ограничений для обеспечения заданных требований по качеству функционирования КС.

3. Алгоритм решения задачи выбора оптимальной степени унификации ПО КС по экономическому критерию, основанный на методе отбора переменных для включения их в оптимальное решение, позволяющий решать задачу за более короткое время, чем метод ветвей и границ, в том числе, для матриц исходных данных, не обладающих свойством связности.

4. Ядро имитационной модели, применяемой для оценки показателей качества функционирования компьютерной сети и различных вариантов проектных решений по унификации ПО КС.

Перечисленные новые научные результаты характеризуют также теоретическую значимость диссертации.

Достоверность научных результатов подтверждена корректным применением используемого математического аппарата, а также согласованностью результатов теоретического расчёта с данными, полученными в ходе экспериментов с применением имитационной модели, а также со статистическими данными, собранными на реальной компьютерной сети предприятия. Работоспособность предложенных алгоритмов была подтверждена сравнением результатов «ручного» расчёта по контрольным исходным данным с результатами, полученными с помощью разработанного программного средства.

Прастическая значимость: предложенные методика, модели и алгоритмы могут быть использованы для оптимальной унификации как прикладного, так и системного ПО компьютерной сети, а также для унификации технического обеспечения АИС предприятий различного назначения.

Внедрение результатов работы. Результаты работы использовались в процессе обоснования оптимальной унификации системного ПО в корпоративной сети предприятия ООО «ТехЛэнд-Автоматизация» (г. Москва), а также «ООО «Компания ДИЛАН)> (г. Москва). Программа выбора оптимальной степени унификации ПО КС по экономическому критерию включена в состав программного обеспечения АИС ряда предприятий. Теоретические результаты внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и одобрены на межрегиональных и внутривузовских научных и научно-практических конференциях и семинарах (Тула — 2009, 2011, 2013 г.г.), а также на международных конференциях (Тула-2009, 2010, 2012 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ в различных научных изданиях, в том числе, 6 работ в журналах, входящих в перечень ВАК, рекомендованных для публикации результатов диссертационных исследований.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, изложенных на 151 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков 15 таблиц, список используемой литературы из 90 наименований, а также 13 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулированы научная задача, цель и новизна исследования, обоснованы положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание работы по разделам.

В первой главе проведён анализ научных работ, посвященных унификации программного обеспечения КС, как одного из направлений развития компьютерных сетей, направленного на обеспечение требуемых значений показателей качества КС в условиях появления новых компьютерных технологий.

Рассмотрены факторы повышения эффективности применения компьютерной сети. Выявлены особенности различных подходов применения технологии виртуализации. В работе выделены следующие подходы для обеспечения виртуализации системного ПО КС: 1. Виртуализация на нижнем уровне - уровень прямого доступа к оборудованию. 2. На среднем уровне - уровень драйверов устройств, предоставляющих обобщенный интерфейс управления ими. 3. На верхнем уровне — набор сервисов ОС.

Показана целесообразность применение технологии виртуализации для реализации способа унификации системного ПО КС, обеспечивающего за счёт виртуализации вычислительных сервисов КС на основе унификации механизма взаимодействия пользовательских программ с аппаратной частью расширить функциональные возможности операционных систем, тем самым сократить число типов ОС, требуемых для поддержки большого количества разнообразных прикладных программных систем в сложной корпоративной сети современного предприятия.

Обоснована также необходимость проведения работ по унификации в системах хранения данных (СХД). Выявлено, что в системах хранения данных виртуализация может быть реализована на разных уровнях (рис. 1), но во всех случаях тип, количество и организация систем хранения - все это остается для сервера за кадром.

Для серверов «видны» просто выделенные им дисковые тома, независимо от того, на каких системах хранения они находятся и как организованы. Такой подход заметно упрощает администрирование самих серверов. Виртуализация в системах хранения данных позволяет упростить решение достаточно большого количество и других задач.

В первой главе также рассмотрены существующие модели оценки показателей качества функционирования КС, а также способы и средства, позволяющие оценить эффект от унификации ПО КС.

В качестве предпочтительного метода моделирования выбран метод имитационного моделирования, позволяющий с достаточной степенью адекватности воспроизвести процесс функционирования компьютерной сети и оценить основные показатели качества КС: время реакции; время передачи информации; коэф-

фициент загрузки ресурсов сети; вероятность надёжного предоставления информации. Результаты моделирования используются для решения задач выбора оптимальной степени унификации ПО КС. Дана общая характеристика этих задач и предпочтительных алгоритмов их решения.

виртуализация на

оиргуализация на уровне сети хранения

-У.правление Р

уровне системы хранения

* у

Устройство хранения М; ■

ш к*

Рис. 1. Уровни виртуализации сервисов в операционной системе

Во второй главе сформулирована математическая модель выбора оптимальной степени унификации операционных систем корпоративной компьютерной сети предприятия по экономическому критерию, а также рассмотрены способы повышения эффективности алгоритмов их решения.

Показано, что подобная модель может быть использована как для унификации системного ПО, так и для прикладного программного обеспечения.

Поскольку каждый тип сложных программных изделий характеризуется совокупностью основных параметров, определяющих их качество и функциональные возможности, задача унификации в данном случае является многомерной. В типоразмерном ряду многомерной задачи каждому типу ОС соответствует его порядковый номер.

Применительно к системному ПО математическая модель одноуровневой многомерной задачи унификации формулируется так:

определить ряд типов операционных систем сложной компьютерной сети, который обеспечивает качественное и надёжное функционирование прикладных программных средств, осуществляющих решение прикладных задач предприятия, и минимизирует функцию суммарных затрат

(1)

/й/ /еЛГ Ш

при ограничениях

7 = 1,и; (2)

16 и

хо —х/' 1 = 1,т; 7 = 1, и; (3)

хпху е {0,1}, / = 1, т; у = 1, п; (4)

где и={\,2,...,т} — множество типов ОС;

Х={1,2,...,п} — множество вариантов применения ОС для различных прикладных программных систем;

НС,"!! — вектор постоянных затрат, связанных с инсталляцией (виртуализацией) ОС /-го типа;

\\GijW — матрица затрат, включающих рыночную стоимость ОС ("-го типа и затраты на эксплуатацию ОС ¡-го типа в ходе управления прикладной программной системой у-го вида. Причем, если /-й тип ОС не удовлетворяет всем требованиям, предъявленным к нему для качественного и надёжного управления прикладной программной системой у'-го вида, то соответствующий элемент 0=<х>-

V >

х, и хи — параметры оптимизации:

(1, если I — й тип ОС

включен в типоразмерный ряд;

О, в противном случае;

¡1, если (' - й тип ОС включен в типоразмерный ряд и выполняет задачи } — го вида;

О, если не выполняет.

Задача (1) — (4) представляет собой «простейшую» задачу унификации, является статической одноуровневой задачей с детерминированным спросом на изделия. В диссертации отмечается, что другие известные модификации задач могут быть сведены данной задаче. Ограничение (2) устанавливает факт возможности применения только одного типа ОС для решения некоторых видов задач из заданного множества X при условии, что оптимальный ряд типов ОС обеспечит удовлетворение всех потребностей из множества X. Ограничения (3) следуют из физического смысла параметров оптимизации. Ограничения на заданные значения показателей качества КС задаются в матрице ||С,7||.

В модели дополнительно учитываются ограничения на заданные значения показателей качества КС, поскольку унификация ПО КС на основе виртуальных технологий может привести к снижению качества функционирования КС. Указанные ограничения накладывают отпечаток на свойства матрицы исходных данных ||СУЦ, которая в некоторых случаях не будет обладать свойством связности. Что, в свою очередь, затрудняет применение существующих алгоритмов решения задачи унификации.

Во второй главе предложены способы совершенствования алгоритмов решения задачи (1) — (4).

Среди известных алгоритмов решения многомерной задачи унификации с учётом свойств матрицы ЦО,у|| выбран алгоритм метода ветвей и границ.

В диссертации предложен способ повышения эффективности этого алгоритма, основанный на применении усовершенствованной стратегии построения так называемой «тупиковой» матрицы IV, используемой для оценки нижней гра-

ницы решений. Задачу построения наилучшей матрицы W можно записать в виде задачи линейного программирования:

£ minW, + Д, }-> max ;

E4<Gr°, i - TJn ;

JeX ___

Ay > 0, i =1 ,m , j =1 ,n ,

где A ¡j - величина, на которую увеличивается элемент матрицы Wy, если

он является минимальным элементом ву'-м столбце.

Геометрическая интерпретация этой задачи позволяет сделать вывод, что на каждом шаге построения W стратегия выбора очередного столбца, в котором повышается значение минимального элемента, должна быть такой, чтобы траектория движения в области допустимых решений задачи как можно позже выходила на границу многогранника допустимых решений, что обеспечивает получения более точной оценки. В соответствии с усовершенствованной стратегией выбирается j-й столбец по минимальной из величин

= Z ^ ,

<6/y(FC) Gi

где Gi - оставшийся ресурс для повышения значении элементов i-и строки; Jj(W) - множество номеров i, соответствующих минимальным элементам в

j- м столбце матрицы W.

В данной стратегии одновременно с достаточно точным построением оценочной матрицы достигается сокращение на 20-50 % числа шагов алгоритма ее построения по сравнению с существующими стратегиями. Исследования показали, что достижение наибольшей эффективности предлагаемой стратегии, по сравнению с другими стратегиями, получается в приближенных методах решения многомерной задачи унификации, поскольку в них нижняя граница вычисляется один (или небольшое количество) раз, а точность методов зависит от точности определения нижней границы.

В работе предложен новый алгоритм, обладающий наибольшей эффективностью при решении задач унификации для больших размерностей матрицы исходных данных. Алгоритм разработан на идее использования двойственного решения для последовательного отбора переменных, включаемых в оптимальное решение. Использование в этом методе усовершенствованного алгоритма построения оценочной матрицы увеличивает число включаемых в решение переменных за один просмотр множества исходных переменных, поскольку и в том, и в другом алгоритмах учтены свойства единичных тупиковых матриц. Алгоритм отбора переменных содержит следующие этапы: I. Нахождение двойственного решения с применением усовершенствованной стратегии. 2. Определение допустимого решения с помощью приближенного алгоритма, использующего двойственное решение. 3. Проверка допустимого ре-

шения на оптимальность путем сравнения с двойственным решением. 4. Отбор переменных, включаемых в решение задачи.

На свойствах единичных тупиковых матриц базируется доказательство алгоритма отбора переменных. Для обоснования точности получаемого решения доказана теорема.

Теорема. Тупиковая матрица, построенная для оценки полинома (1) на множестве продолжений частичного решения (г,,...,гк), где 0 < к <т, при к — т - 1, приводит к точной оценке этого полинома.

Проверка показателей качества функционирования КС, допустимые значения которых задаются в матрице можно осуществлять либо с помощью специальных программно-аппаратных средств сбора статистических данных о сетевых характеристиках, либо, при отсутствии таких средств, например, на этапе проектирования КС, по результатам имитационного моделирования процесса функционирования КС.

В третьей главе рассмотрена методика построения имитационной модели для оценки показателей качества функционирования компьютерных сетей, а также особенности реализации модели в среде (}Р88/РС. Приведены этапы процесса моделирования, сформулирована задача моделирования. Рассмотрены особенности построения концептуальной модели, способы повышения и оценки адекватности имитационной модели, а также точности результатов моделирования. Основной задачей моделирования является расчёт показателей качества функционирования КС, которые необходимы для оценки проектных решения по унификации ПО КС. Моделируются следующие процессы:

поток случайных событий возникновения запросов на решение функциональных задач (ФЗ) в соответствующих узлах компьютерной сети (для решения ФЗ используются соответствующие программные модули, если они входят в состав программного обеспечения данного узла, иначе запрос пересылается в другой узел); передача информации по каналам связи в соответствии со схемой функционирования АИС предприятия; обработка информации в узлах сети; отказы технических и программных средств; устранение отказов технических средств (ТС); восстановление или замена программных средств.

Схема обработки запросов в узлах сети соответствует модели массового обслуживания, приведенной на рис. 2. В соответствие со схемой в некоторых узлах компьютерной сети могут располагаться центры хранения и обработки информации (ЦХИ), содержащие программные модули различного назначения.

Обобщенная структура имитационной модели процесса функционирования КС в виде совокупности взаимосвязанных типовых сегментов представлена на рисунке 3. Для удобства разработки алгоритма и программы модели в основу построения модели положен модульный принцип, при осуществлении которого каждый блок модели обеспечивает реализацию функционально законченной части модели. В результате разработан набор типовых программных сегментов на языке ОРвБ/РС, каждый программный сегмент имитирует элементарный процесс соответствующего типа. С целью сокращения размера программы в модели применены матричные величины, задающие характеристики технических средств, процессов обработки информации, отказов и восстановлений оборудования. Это

позволяет использовать один и тот же программный участок для имитации процессов функционирования различных узлов сети и каналов связи.

Рис. 2. Схема обслуживания запросов в компьютерной сети при решении /-й функциональной задачи

Рис. 3. Обобщенная структура имитационной модели компьютерной сети АИС предприятия

Для оценки вариантов унификации ПО и показателей качества функционирования сети в зависимости от степени виртуализации программных средств осуществляется параметрическая настройка соответствующих сегментов. Предложенная модель может применяться на этапе предварительной оценки различных вариантов проектньк решения по унификации программного обеспечения компьютерной сети. Более точную оценку выбранного варианта целесообразно

проводить с помощью встроенных программно-аппаратных средств измерения характеристик реальной компьютерной сети.

В работе отмечается, что в ОРБв-моделях одна из особенностей в оценке точности моделирования состоит в том, что интервалы между моментами поступления заявок и интервалы занятости приборов в модели могут иметь только целочисленные значения. Усечение величин до целочисленных значений является источником ошибки моделирования. В диссертации приведена методика выбора шага изменения модельного времени, обеспечивающего заданную точность получения оценок интервалов времени между событиями в имитационной модели.

Четвёртая глава диссертации посвящена исследованию разработанных моделей и алгоритмов унификации программного обеспечения компьютерной сети современной АИС предприятия.

Результаты исследования имитационной модели представлены на рис. 4.

^^запр.С

300

Рис. 4. Зависимость времени задержки сообщения от интенсивности поступления запросов при различном количестве виртуальных ОС в КС: 1апр - среднее время между запросами на выполнение функциональных задач в

компьютерной сети

Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что ряд ОС, управляющих прикладными программными системами, работающими в условиях высокой интенсивности запросов (более 80 1/с) виртуализировать нецелесообразно, так как время реакции системы может составлять десятки секунд. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными данными на реальной сети.

В четвёртой главе приведены результаты исследования эффективности предложенных алгоритмов решения задач унификации. Исследования проводились с помощью разработанного программного средства, позволяющего оценивать применяемые способы усовершенствования алгоритмов и сравнивать с известными алгоритмами на случайных наборах исходных данных. Анализ результатов показал, что для задач с размерностью не более 50x50 целесообразно использовать алгоритм с усовершенствованным способом оценки нижней границы, а для больших размерностей быстрее работает алгоритм отбора переменных.

Методика решения задачи унификации системного программного обеспечения КС апробирована на реальной компьютерной сети конкретного предприятия.

Анализ результатов решения задачи для реальной КС показывает, что большинство серверов имеют не более 10 % загрузки CPU. Виртуализация сервисов операционных систем для мало загруженных серверов позволило, во-первых, сократить количество типов ОС с 8-ми до 3-х (коэффициент унификации Ку = 60%), и, во-вторых, высвободить из общего количества 148 серверов в сети 92 сервера с незначительным уровнем загрузки, что существенно сокращает затраты на потребляемую энергию и расходы на обслуживание. Экономический эффект после сокращения числа типов ОС до 3-х составил 22% от исходного значения G до унификации.

Результаты моделирования процесса функционирования реальной компьютерной сети подтвердили применимость разработанной модели для решения поставленных задач. Для каждого конкретного значения количества не виртуальных ОС в сети с помощью модели получено значение среднего суммарного времени передачи данных Т по каналам связи и номера объектов системы управления предприятия (узлов сети), оснащаемые не виртуальными ОС (таблица 1).

Таблица 1

р - количество не виртуальных ОС Т, с Номера узлов сети, в которых размещена не виртуальная ОС

1 423 10

2 345 12, 14

3 326 1, 12, 13

4 312 1,5, 12, 13

5 302 1,5, 10, 12, 13

6 299 1,2,5, 10, 12, 13

7 298 1,2,5, 10, 11, 12, 13

8 297 1,2, 5, 10, 11, 12, 13, 14

9 297 1,2,3,5, 10, 11, 12, 13, 14

10 297 1,2,3,4, 5, 10, 11, 12, 13, 14

Анализ результатов имитационного моделирования, показывает (таблица 1), что для КС предприятия количество не виртуальных ОС в сети должно составлять не более 5-6, так как дальнейшее увеличение числа не виртуальных ОС, не приводит к заметному уменьшению Т.

В таблице 2 приведены результаты решения задачи унификации системного ПО, где для различных значений заданного времени задержки сообщения в сети с помощью модели определены номера узлов сети, в которых размещаются не виртуальные ОС.

Таблица 4.10

Время задержки передачи сообщения в сети, с Номера узлов сети, в которых размещаются не виртуальные ОС

1 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14

2 1,2,3,5,6, 7, 8, 9, 10, И, 12, 13, 14

3 1,2, 3,4, 5, 8,9, 10, 11, 12, 13, 14

4 1,2,3,4, 11, 12, 13, 14

5 1,2, 4, 8, 11, 12

6 1, 2, 7, 8

7 1,2,8

8 2,8

9 2,8

10 8

15 1

20 1

Полученные данные позволяют определить оптимальную, с точки зрения выбранного критерия, конфигурацию сети либо для заданного времени задержки сообщения, либо для заданного количества не виртуальных ОС в сети, при этом будет известна максимальная задержка сообщения.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

В приложении приведены список терминов и обозначений, схемы разработанных алгоритмов и текстов программ, а также акты о внедрении результатов диссертации и свидетельство о регистрации программы ЭВМ.

Основные результаты работы:

1. Разработаны способ унификации ПО КС на основе технологии виртуализации и методика выбора оптимальной степени унификации ПО КС по критерию минимума суммарных затрат, позволяющие обеспечить заданные показатели качества функционирования КС.

2. Сформулирована математическая модель выбора оптимальной степени унификации ПО КС по экономическому критерию, основанная на классической задачи унификации изделий с учётом введения дополнительных ограничений для обеспечения заданных требований по качеству функционирования КС.

3. Предложен новый алгоритм решения задачи выбора оптимальной степени унификации, основанный на методе отбора переменных для включения их в оптимальное решение, позволяющий решать задачу за более короткое время, чем метод ветвей и границ, в том числе, для матриц исходных данных, не обладающих свойством связности.

4. Разработана имитационная модель для оценки показателей качества функционирования компьютерной сети и различных вариантов проектных решений по унификации ПО КС.

5. На примере решения практической задачи унификации системного ПО для реальной КС апробирована методика оптимального сокращения числа типов операционных систем в КС АИС предприятия.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дьяченко, Е.А. Имитационная модель для оценки и минимизации производственных затрат / Е.А. Дьяченко // II Международная научно-практическая конференция «Инновации в управлении и образовании: технико-технологические и методические аспекты». Том 1. Сборник материалов конференции. — Тула: Тульский филиал ОРАГС, 2009. - С. 32-35.

2. Дьяченко, Е.А. Информационные технологии моделирования экономических процессов в социальных системах / Е.А. Дьяченко // I, II, III Международная студенческая НПК «Проблемы управления в современных социально-экономических условиях: взгляд молодых». Сборник материалов конференции. — Тула: Тульский филиал ОРАГС, 2010. - С. 293-297.

3. Дьяченко, Е.А. Имитационное моделирование систем массового обслуживания на языке GPSS/PC / В.Н. Изотов, Е.А. Дьяченко, A.A. Павлов И Электронное учебное пособие. - Тула: ТФ РАНХиГС, 2011. - 120 с.

4. Дьяченко, Е.А. Имитационное моделирование в экономике и управлении / В.Н. Изотов, Е.А. Дьяченко // Международная НПК «Проблемы образования, инновации и менеджмент знаний в подготовке компетентных кадров». — Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. — С. 112-114.

5. Дьяченко, Е.А. Унификация системного программного обеспечения на основе технологии виртуализации / Е.А. Дьяченко // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 76-82. - ISSN 2071-6168.

6. Дьяченко, Е.А. Об одном подходе к унификации системного программного обеспечения / Е.В. Ларкин, Е.А. Дьяченко // Журнал «Естественные и технические науки», № 4. - М: Изд-во «Спутник +», 2012. - С. 282-287. -ISSN 1684-2626.

7. Дьяченко, Е.А. Математические модели выбора оптимальной степени унификации программного обеспечения компьютерной сети / В.Н. Изотов, Е.А. Дьяченко // Журнал «Естественные и технические науки», № 6. - М: Изд-во «Спутник +», 2012. - С. 495-500. - ISSN 1684-2626.

8. Дьяченко, Е.А. Анализ моделей оценки эффективности унификации программного обеспечения компьютерных сетей / В.Н. Изотов, Е.А. Дьяченко // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 82-92. - ISSN 2071-6168.

9. Дьяченко, Е.А. Метод решения задачи выбора центров хранения и обработки информации / В.Н. Изотов, B.C. Смазнов, Е.А. Дьяченко // IX Международная научно-практическая конференция «Проблемы экономики и информатизации образования». Сборник материалов конференции. - Тула: НОО ВПО НП «Тульский институт экономики и информатики», 2012. - С. 306-311.

10. Дьяченко, Е.А. Повышение эффективности информационной системы мониторинга экологического состояния региона / В.Н. Изотов, В.Ф. Несмеянов, Е.А. Дьяченко // Научно-методический электронный журнал «Концепт», № 12. — Киров: Изд-во «Межрегиональный центр инновационных технологий в образовании», 2012. - С. 126-132.

11. Дьяченко, Е.А. Пути повышения эффективности применения информационных систем на предприятии / В.Н. Изотов, Е.А. Дьяченко // Информационные технологии, инновации, инвестиции, математические методы и модели: экономика, бизнес, управление, образование. Межвузовский сборник научных трудов, Выпуск 4. - М: -Тула: ТФ РАНХиГС, 2012. -С.102-108.

12. Дьяченко, Е.А. Об одном алгоритме решения задачи унификации эле- ' ментной базы радиотехнических средств / В.Н. Изотов, Е.А. Дьяченко // 30-я Научная сессия, посвященная Дню радио. Сборник научных трудов. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 115-117.

13. Дьяченко, Е.А. Экономическое обоснование оптимальной унификации системного программного обеспечения компьютерной сети предприятия / В.Н. Изотов, Е.А. Дьяченко // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 9. Ч. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 144 - 150. - ISSN 2071-6168.

14. Дьяченко, Е.А. Метод решения задачи оптимальной унификации программного обеспечения по экономическому критерию / В.Н. Изотов, Е.А. Дьяченко // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 9. Ч. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 150 - 156. - ISSN 2071-6168.

15. Dyachenko Evgetiiy. Increase of efficiency of an information monitoring system ecological situation in the region / Izotov Viktor, Dyachenko Evgeniy // DOAJ -Lund University: Koncept: Scientific and Methodological e-magazine. - Lund, Sweden. Vol. 1. - № 1, 2013. - P.54-60. Режим доступа: URL:

http://www.doai.ors/doai?func=issueTOC&isId=159472 (обращение: 18.06.2013).

16. Дьяченко, E. А. Обоснование рациональных управленческих решений в различных сферах деятельности по экономическому критерию / Е.А. Дьяченко // VI Международная научно-практическая конференция «Эффективность государственной службы, государственного и муниципального управления, функционирования органов власти и хозяйствующих субъектов». Сборник материалов конференции. - Тула: ТФ РАНХиГС, 2013. - С. 94-98.

17. Программа выбора оптимальной степени унификации системного ПО компьютерной сета: Свидетельство о регистрации программы ЭВМ: ООО «ТехЛэнд-Автоматизация», г. Москва, г. Зеленоград / заявитель Дьяченко Е.А., Свидетельство № 1871; зарегистрировано 03.04.2013.

18. Дьяченко, Е.А. Имитационная модель процесса функционирования компьютерной сети / Е.А. Дьяченко // Приборы и управление: Сборник статей. Вып. 11 / Под общ. ред. Е.В. Ларкина. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 170-175.

19. Дьяченко, Е.А. Многомерная задача унификации программного обеспечения компьютерной сети / Е.А. Дьяченко, Е.И. Дараган // Приборы и управление: Сборник статей. Вып. 11 / Под общ. ред. Е.В. Ларкина. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.-С. 175-178.

20. Дьяченко, Е.А. Способ сокращения количества физических серверов в компьютерной сети / Е.А. Дьяченко, И.С. Терехин // Приборы и управление: Сборник статей. Вып. 11 / Под общ. ред. Е.В. Ларкина. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.-С. 178-183.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 20.11.2013 Формат бумаги 60x84 Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 086 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201452409

ДЬЯЧЕНКО Евгений Анатольевич

МОДЕЛИ, СПОСОБЫ И АЛГОРИТМЫ УНИФИКАЦИИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛИЗАЦИИ

Специальность: 05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.техн.н, профессор Ларкин Е.В.

Тула 2013

Содержание

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

1 Анализ перспективных направлений развития компьютерной сети предприятия......................................................................... 17

1.1 Направления развития и факторы повышения эффективности применения компьютерной сети на предприятии за счёт унификации программного обеспечения................................. 17

1.2 Анализ особенностей унификации ПО КС на основе технологии виртуализации................................................................ 24

1.3 Модели, способы и средства оценки эффекта от унификации ПО КС. Общая характеристика задачи выбора оптимальной степени унификации ПО КС.......................................................... 35

Выводы.................................................................................... 52

2 Математические модели и алгоритмы унификации программного обеспечения компьютерной сети предприятия............................... 53

2.1 Математическая модель выбора оптимальной степени унификации ПО КС по экономическому критерию.................. 53

2.2 Особенности методов решения задач унификации ПО КС.......... 59

2.3 Алгоритм решения задач унификации ПО КС методом отбора переменных..................................................................... 72

Выводы.................................................................................... 78

3 Имитационная модель для оценки показателей качества функционирования компьютерной сети АИС предприятия и анализа вариантов унификации ПО КС................................................... 80

3.1 Этапы разработки имитационной модели КС предприятия.......... 80

3.2 Особенности программной реализации имитационной модели в среде ОР88/РС.................................................................. 92

Выводы.................................................................................... 101

4 Исследование разработанных моделей и алгоритмов унификации программного обеспечения компьютерной сети современной АИС предприятия.......................................................................... 102

4.1 Разработка методики экспериментального исследования имитационной модели для оценки показателей качества функционирования компьютерной сети................................. 102

4.2 Экспериментальная проверка алгоритмов и программ решения

задач унификации ПО КС................................................... 123

Выводы.................................................................................... 136

Заключение............................................................................... 138

Список используемой литературы................................................... 143

Приложение 1. Модели и алгоритмы динамической унификации

системного ПО компьютерных сетей....................... 152

Приложение 2. Типовые сегменты GPSS-модели............................ 177

Приложение 3. Блок-диаграмма имитационной модели ЛВС............. 180

Приложение 4. Распечатка программы имитационной модели ЛВС.... 183

Приложение 5. Анализ результатов моделирования........................ 186

Приложение 6. Проверка работоспособности алгоритма решения

динамической задачи унификации.......................... 194

Приложение 7. Алгоритм ветвей и границ для решения задачи

унификации...................................................... 206

Приложение 8. Программа решения задачи унификации методом

ветвей и границ...................................................... 207

Приложение 9. График зависимости времени Т решения задачи

методом ветвей и границ с применением различных

стратегий построения матрицы W........................ 213

Приложение 10. Характер изменения времени Т решения задачи

для различных методов решения............................. 214

Приложение 11. Схема алгоритма отбора переменных для решения

задачи унификации............................................. 215

Приложение 12. Процесс формирования исходных данных для

решения задачи унификации ОС............................. 217

Приложение 13. Список терминов и обозначений............................. 220

Введение

Рост объёмов и цены хранимой информации, повышенные требования к оперативности и надёжности обработки данных, масштабы автоматизированных информационных систем (АИС), используемых на современных предприятиях, имеющих значительное количество территориально удалённых друг от друга объектов управления, постоянное увеличение количества и разнообразия решаемых на предприятии задач - всё это привело к существенному повышению стоимости программного обеспечения (ПО) информационных систем, а также к повышению затрат на внедрение и обслуживание ПО компьютерных сетей (КС), являющихся основой современных АИС. Вследствие этого создание программного обеспечения КС в последнее время превратилось в важную и мощную сферу промышленности.

При разработке ПО основной задачей фирм-разработчиков является обеспечение их успеха на рынке. Для этого необходимо, чтобы программы обладали следующими качествами: функциональностью, т.е. полнотой удовлетворения потребностей пользователя; наглядностью, удобным, интуитивно понятным и привычным пользователю интерфейсом; простотой освоения начинающими пользователями; надежностью, т.е. устойчивостью к ошибкам пользователя, к отказам оборудования, разумностью поведения программы в этих ситуациях; стандартизацией и унификацией.

Преобладающими в развитии программного обеспечения являются следующие тенденции: объединение противоречивых свойств, таких как универсализация и специализация. Такой подход позволяет разработчикам удовлетворить потребности большого количества потребителей.

Реализация указанных требований сопряжено с необходимостью внедрения нового системного программного обеспечения для вновь появившихся прикладных программных систем. Что может привести, например, к увеличению количества разнотипных операционных систем, каждая из которых предназначена для управления прикладной программной системой соответствующего типа.

Указанные трудности можно преодолеть с помощью стандартизации и унификации. Применительно к программному обеспечению унификация позволяет сократить количество разнотипных программных и информационных модулей, программных интерфейсов, используемых в различных программных системах, а также уменьшить многообразие языковых средств, операционных систем и технологий разработки ПО. Это позволит снизить сроки и стоимость разработки и внедрения прикладных программных систем, повысить удобство работы пользователя, снизить затраты на обслуживание ПО.

Вопросы математического обеспечения и разработки алгоритмов решения задач унификации изделий по экономическому критерию, в том числе и компьютерных средств, рассмотрены в ряде работ отечественных и зарубежных авторов: Липаев В.В., Береснев В.Л., Гимади Э.Х., Дементьев В.Т., Алексеев О.Г., Изотов В.Н., Привалов А.Н., Гэри М., Джонсон Д., Эрленкот-тер Д., Фишер М.Л., Краруп Дж., Миршандани П.Б. и другие [1-44]. Кроме того, в ходе решения задач унификации сложных объектов с целью оценки эффекта от их унификации часто возникает необходимость моделирования процессов функционирования этих объектов. Методике моделирования сложных систем и процессов посвящены работы таких авторов, как Советов Б.Я, Яковлев С.А., Бусленко Н.П., Голованов О.В., Емельянов A.A., Шеннон Р., Шрайбер Т. Дж. и другие [48-80].

____ Анализ показал, что в этих-работах не в полной мере учтено появление совершенно новых компьютерных технологий, внедряемых на базе современных компьютерных средств, не учтены вновь открываемые возможности применения новых способов улучшения показателей качества функционирования КС. Кроме того, известные подходы к решению задач унификации ПО практически не рассматривают наиболее сложную задачу - унификацию системного ПО.

С одной стороны, в соответствие с известным понятием «унификация изделий» [45-47], применительно к системному ПО, унификация - это эффективный метод устранения излишнего многообразия операционных сред,

драйверов и интерфейсов посредством сокращения перечня допустимых программных модулей и технических решений, а также за счёт приведения их к однотипности.

С другой стороны, всякая унификация ведет к увеличению функциональной избыточности, как отдельных программных модулей, так и в целом программных систем [1,2]. Это может привести к ухудшению временных и надёжностных характеристик отдельных модулей, но, в то же время, - к улучшению характеристик и эффективности применения всей программной системы в целом за счёт взаимозаменяемости модулей и использования дополнительных функций этих модулей. В связи с этим возникает задача выбора оптимальной степени унификации ПО [12-14]. Эту задачу целесообразно решать на основе сравнения разных вариантов технических решений и соответствующего им соотношения затрат и выгод.

Таким образом, для повышения качества функционирования и организации более эффективного применения КС необходимо наряду с другими вопросами решать достаточно сложную задачу выбора оптимальной степени унификации ПО, в том числе и системного ПО, учитывая при этом появление новых компьютерных технологий.

Исходя из этого, научной задачей, решаемой в диссертационной работе, является разработка математических моделей и алгоритмов выбора оптимальной степени унификации-ПО КС, осуществляемой на основе применения технологии виртуализации.

Объектом исследования является корпоративная компьютерная сеть предприятия.

Предметом исследования являются математические модели, способы и алгоритмы оптимальной унификации ПО КС предприятия с применением технологии виртуализации.

Целью диссертационной работы является обеспечение заданных показателей качества функционирования компьютерной сети наименьшими затратами за счёт решения задачи выбора оптимальной степени унификации

ПО КС с учётом применения технологии виртуализации.

Поставленная цель достигается путем решения следующего комплекса взаимосвязанных задач:

анализ факторов, влияющих на эффективность функционирования КС предприятия, и показателей для оценки эффекта от унификации ПО КС;

разработка способа унификации ПО КС на основе технологии виртуализации;

разработка методики выбора оптимальной степени унификации ПО

КС;

разработка математических моделей и алгоритмов выбора оптимальной степени унификации ПО КС;

разработка имитационной модели для оценки показателей качества функционирования компьютерной сети и различных вариантов проектных решений по унификации ПО КС;

разработка программного средства для проверки работоспособности и оценки эффективности разработанных алгоритмов решения задачи унификации ПО КС.

Основные результаты решения поставленной научной задачи изложены в настоящей работе, состоящей из введения, четырёх глав и заключения.

Во вв_едении_обоснована-ак-туальность диссертациигсформулированы научная задача, цель и новизна исследования, обоснованы положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание работы по разделам.

В первой главе проведён анализ научных работ, посвящённых унификации программного обеспечения КС, как одного из направлений развития компьютерных сетей, направленного на обеспечение требуемых значений показателей качества КС в условиях появления новых компьютерных технологий.

Рассмотрены факторы повышения эффективности применения компьютерной сети на предприятии за счёт унификации программного обеспечения.

Выявлены особенности различных подходов применения технологии виртуализации для обеспечения заданных значений показателей качества функционирования КС.

Показана целесообразность применение технологии виртуализации для реализации одного из способов унификации системного ПО КС, позволяющего за счёт виртуализации вычислительных сервисов КС на основе унификации способа взаимодействия пользовательских программ с аппаратной частью расширить функциональные возможности операционных систем (ОС), тем самым сократить число типов ОС, требуемых для поддержки большого количества разнообразных прикладных программных систем в сложной корпоративной сети современного предприятия.

Обоснована также необходимость проведения работ по унификации в системах хранения данных (СХД). Здесь эффективность унификации на основе технологии виртуализации наиболее очевидна в случае, когда уже имеется несколько дисковых систем и требуется дальнейшее увеличение дискового пространства. Типичным примером является динамично развивающаяся компания, в которой уже несколько лет используются системы хранения данных и развернута сеть хранения. В результате того, что регулярно осуществляются закупки нового оборудования, используются дисковые системы различных поколений и производителей. В этом случае эффективное использование такого парка оборудования вызывает существенные трудности: администраторам требуется уметь управлять совершенно различными системами. Как следствие, растут затраты на обслуживание и эти затраты не сопровождаются адекватной отдачей. Единственное правильное решение в этой ситуации заключается в унификации систем хранения с помощью виртуализации.

Выявлено, что в системах хранения данных виртуализация может быть реализована на разных уровнях, но во всех случаях тип, количество и организация систем хранения - все это остается для сервера за кадром.

Для серверов «видны» просто выделенные им дисковые тома, независимо от того, на каких системах хранения они находятся и как организованы. Такой подход заметно упрощает администрирование самих серверов. Виртуализация в системах хранения данных позволяет упростить решение достаточно большого количество и других задач.

Отмечается, что с помощью унификации систем хранения эффективно решаются типовые задачи администрирования в гетерогенной среде: подключение новых серверов - унификация драйверов системы хранения; выделение дополнительного дискового пространства серверу - унификация интерфейса взаимодействия СХД с операционной системой; миграция данных между системами хранения; построение катастрофоустойчивых систем.

В первой главе рассмотрены существующие модели оценки показателей качества функционирования КС, а также способы и средства, позволяющие оценить эффект от унификации ПО КС.

В качестве предпочтительного метода моделирования выбран метод имитационного моделирования, позволяющий с достаточной степенью адекватности воспроизвести процесс функционирования компьютерной сети и оценить основные показатели качества КС: время реакции; время передачи информации; коэффициент загрузки ресурсов сети; вероятность надёжного предоставления информации. Результаты моделирования используются для решения задач выбора оптимальной степени унификации ПО КС. Дана общая характеристика этих задач и предпочтительных алгоритмов их решения.

Во второй главе сформулирована математическая модель выбора оптимальной степени унификации операционных систем корпоративной компьютерной сети предприятия по экономическому критерию, а также рассмотрены способы повышения эффективности алгоритмов их решения.

Показано, что подобная модель может быть использована как для унификации системного ПО, так и для прикладного программного обеспечения.

Поскольку каждый тип сложных программных изделий характеризуется совокупностью основных параметров, определяющих их качество и функциональные возможности, задача унификации в данном случае является многомерной. В типоразмерном ряду многомерной задачи каждому типу ОС соответствует его порядковый номер.

Применительно к системному ПО математическая модель одноуровневой многомерной задачи унификации формулируется так:

определить ряд типов операционных систем сложной компьютерной сети, который обеспечивает качественное и надёжное функционирование прикладных программных средств, осуществляющих решение прикладных задач предприятия, и минимизирует функцию суммарных затрат на внедрение и эксплуатацию системного ПО.

В модели, в отличие от известных постановок задач унификации по экономическому критерию [2-19], дополнительно учитываются ограничения на заданные значения показателей качества КС, поскольку унификация ПО КС на основе виртуальных технологий может привести к снижению качества функционирования КС. Указанные ограничения накладывают отпечаток на свойства матрицы исходных данных, которая в некоторых случаях может обладать свойством связности. Что, в свою очередь, затрудняет применение существующих алгоритмов решения задачи унификации.

Кроме того, во второй главе предложены способы совершенствования алгори�