автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка отказоустойчивых распределенных систем управления телекоммуникационными сетями

Ямбулатов Эдуард Мскандаровнч

РАЗРАБОТКА ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫМИ СЕТЯМИ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

25 СЕН 2014

Ставрополь - 2014

005552754

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «СевероКавказский федеральный университет» (ФГАОУ ВПО СКФУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мочалов Валерий Петрович

Официальные оппоненты:

Баранов Владимир Александрович

доктор технических наук, доцент,

ГКОУ ВПО Академия Федеральной службы

охраны Российской Федерации,

профессор кафедры Радиосвязи

Маслов Олег Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет Телекоммуникаций и

Информатики», зав. кафедрой экономических и информационных систем

Ведущая организация:

ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится 12 ноября 2014 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.245.09 при ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1, корпус 1, ауд. 416.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2, www.ncfu.ru.

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.245.09 кандидат физико-математических наук, доцент

Ямбулатов Эдуард Искандарович

РАЗРАБОТКА ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫМИ СЕТЯМИ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ставрополь - 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «СевероКавказский федеральный университет» (ФГАОУ ВПО СКФУ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мочалов Валерий Петрович

Баранов Владимир Александрович

доктор технических наук, доцент,

ГКОУ ВПО Академия Федеральной службы

охраны Российской Федерации,

профессор кафедры Радиосвязи

Ведущая организация:

Маслов Олег Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет Телекоммуникаций и

Информатики», зав. кафедрой экономических и информационных систем

ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится 12 ноября 2014 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.245.09 при ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1, корпус 1, ауд. 416.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2, www.ncfu.ru.

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.245.09 кандидат физико-математических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время уровень конкуренции на телекоммуникационном рынке постоянно повышается и большинство телекоммуникационных компаний вынуждены обратить внимание на минимизацию внутренних затрат, связанных с управлением ресурсами и повышением уровня оказываемых услуг. При этом, телекоммуникационные компании, решающие задачи внутренней оптимизации, сталкиваются с задачами повышения эффективности управления эксплуатацией и развитием систем и сетей связи, как основы их бизнеса. Решение данных задач невозможно без использования программных и аппаратных средств, автоматизирующих процессы эксплуатационной деятельности. К таким средствам относятся ИТ-решения на базе системы поддержки операционной деятельности (OSS). Переход на системы OSS вызывает необходимость применения интегрирующей платформы, требующей серьезных системных затрат на интеграцию отдельных подсистем в единое ИТ-решение. Альтернативным подходом может являться применение распределенных систем управления (РСУ). Такой подход существенно улучшает показатели качества системы управления, но не устраняет причин возможных сбоев, отказов системных коммуникаций, компонентов РСУ. При выходе из строя центра управления или одной из составляющих распределенных компонент система теряет свою работоспособность.

Основным методом повышения отказоустойчивости системы является избыточность. Распределение копий программных компонент по различным процессорным модулям может предотвратить ситуации сбоев и отказов. Однако, используемые на практике избыточные сетевые подключения типа кластеризации, балансировки нагрузки, зеркальных сайтов затратны и не способны достаточно эффективно решать проблему повышения отказоустойчивости системы. Ключом к успешной реализации проблемы может являться всесторонний анализ сетевых коммуникаций РСУ и разработка более совершенных алгоритмов построения коммуникационных маршрутов интеграции распределенных компонент. Это вызывает необходимость разработки соответствующих методов анализа, моделирования, оптимизации системных связей и закономерностей при реализации процессных методов управления телекоммуникациями.

Целью диссертационной работы является улучшение показателей качества распределенных систем управления телекоммуникационными сетями и услугами за счет разработки и применения отказоустойчивых методов интеграции составляющих ее компонент.

Объектом исследования являются распределенные системы управления телекоммуникациями, ответственные за управление ресурсами сетей нового поколения New Generation Net (NGN).

Предметом исследований является научно-методический аппарат разработки и исследования методов анализа отказоустойчивых распределенных систем управления телекоммуникациями.

Научная задача работы заключается в разработке и анализе эффективных методов повышения отказоустойчивости распределенных систем управления телекоммуникациями.

Научная задача декомпозирована на ряд частных исследуемых задач.

1. Анализ методов обеспечения отказоустойчивости брокера объектных запросов.

2. Разработка методов и моделей построения отказоустойчивых систем интеграции программных компонент РСУ.

3. Разработка алгоритмов обеспечения отказоустойчивости систем интеграции распределенных приложений.

4. Разработка системы аналитических и имитационных моделей для оценки показателей качества отказоустойчивых РСУ телекоммуникациями.

Методы исследования. Системный анализ, теория принятия решений, теория построения моделей сложных систем, теория массового обслуживания, теория телетрафика, теория графов.

Достоверность полученных результатов подтверждается высоким теоретическим уровнем исследования, логичностью в изложении анализируемого материала, строгостью математических выкладок, совпадением результатов математического и имитационного моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методологические основы разработки отказоустойчивых распределенных систем управления телекоммуникациями.

2. Методы повышения эффективности ССЖВА-систем, основанные на минимизации времени обнаружения распределенных объектов.

3. Научно-методический аппарат разработки и исследования отказоустойчивых систем управления телекоммуникациями.

4. Алгоритмы интеграции программных компонент, обеспечивающие повышенную отказоустойчивость к сбоям и минимальное время реакции системы на сбои при параллельной обработке программных компонент (ПК).

5. Метод анализа пропускной способности системы сигнализации РСУ и пропускной способности ее информационных каналов.

Личный вклад. Все результаты, составляющие содержание данной работы, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателем осуществлен анализ современных систем управления телекоммуникациями. Представлена методология разработки отказоустойчивых систем управления телекоммуникациями. Разработаны алгоритмы интеграции программных компонент параллельной, последовательной и комбинированной обработки ПК. Разработан комплекс аналитических и имитационных моделей, ориентированный на исследование показателей качества реализованных и предлагаемых отказоустойчивых РСУ. Представлен метод анализа пропускной способности системы сигнализации РСУ.

Научная новизна в результатах диссертационной работы заключается в следующем.

1. Сформулирован новый методологический подход к разработке отказоустойчивых распределенных систем управления телекоммуникациями, позволяющий устранить недостатки существующих избыточных отказоустойчивых систем.

2. Впервые разработаны методы повышения эффективности ССЖВА-систем, основанные на принципах минимизации времени обнаружения распределенных объектов и применения асинхронного многопоточного взаимодействия.

3. Разработан комплекс аналитических и имитационных моделей, ориентированный на исследование показателей качества реализованных и предлагаемых отказоустойчивых РСУ, позволяющий осуществлять операции количественного сравнения альтернативных вариантов построения систем.

4. Разработаны алгоритмы интеграции программных компонент параллельной, последовательной и комбинированной обработки ПК, обеспечивающие повышенную отказоустойчивость к сбоям и сокращающие время реакции системы на возникающие проблемы при реализации телекоммуникационной услуги.

5. Разработаны математические модели методов интеграции ПК, дающие возможность получить зависимости времени ожидания, времени обработки запросов на обслуживание от загрузки системы и объема запросов.

5. Представлен метод анализа пропускной способности системы сигнализации РСУ, позволяющая оценить зависимость пропускной способности информационных каналов РСУ от загрузки каналов системы сигнализации и влияние пропускной способности системы сигнализации на показатели качества системы интеграции РСУ.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что реализация представленных в ней результатов позволит существенно повысить отказоустойчивость РСУ за счет снижения времени выявления сбоев и восстановления после сбоев. Результаты исследований использованы в учебном процессе СКФУ, включены в учебное пособие «Программирование на языке С#».

Реализация и внедрение результатов исследования. Представленная работа является частью научных исследований, проводимых СКФУ, получила поддержку РФФИ (решение конкурсной комиссии №13-07-00130 от 26.04.13г.),ее результаты применены на следующих предприятиях.

1. ОАО «Концерн Созвездие», г. Воронеж, при оценке ВВХ Центров управления.

2. ОАО «Воронежский НИИ ВЕГА», г. Воронеж, при анализе различных вариантов построения систем технической эксплуатации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались в материалах международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и инновации в управлении, информационных технологиях» (Ставрополь, 2011), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Ставрополь, 2013), VII Международной молодежной научной конференции СКФУ «Научный потенциал XXI века» (Ставрополь,2013), международного научного издания «Сборник научных трудов «SWord»» - «Перспективные инновации в науке, образовании и транспорте» (Одесса, 2013), международной научно-технической конференции «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании (Инфоком-6) (Ставрополь, 2014).

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 15 научных работах, в том числе 8 публикаций в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы 169 страниц, содержащий 78 рисунков, 12 таблиц, 9 страниц литературы из 129 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности темы диссертации, формулируются цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проведен анализ концепций построения и функционирования систем управления телекоммуникационными сетями и услугами Telecommunication Management Network (TMN), Simple Network

Management Protocol (SNMP), Operation Support System/Business Support System (OSS/BSS), РСУ, других нестандартных систем, ориентированных на брокерский запрос и технологии X/OPEN, TP, TXRPC, ATMI, CICS. Выявлены характерные черты функциональности систем управления: многоуровневость, параллельная обработка запросов, наличие баз данных, возможность выбора транспортных протоколов и оптимизации по времени выполнения приложений, разделение управляющей и информационных составляющих распределенных приложений и их распараллеливание, использование альтернативных путей для передачи потоков данных.

Показано, что эффективность РСУ во многом определяется алгоритмами межобъектного интерфейса распределенных приложений и связана с минимизацией времени межобъектных вызовов и используемыми методами асинхронного взаимодействия. Низкая отказоустойчивость таких систем обусловлена используемыми методами репликации данных. Передача данных от программных компонент системы к центру управления, который передает полученное сообщение на все взаимодействующие с ним по данной услуге компоненты, может привести к сбоям и полной потере работоспособности системы.

Для обеспечения функционала взаимодействия элементов распределенной системы используется специальный модуль — брокер объектных запросов. Наиболее применяемые здесь технологии - RabbitMQ, ActiveMQ, CORBA. Недостатками данных систем, при организации РСУ, являются избыточный функционал, применение ресурсоемких системных протоколов, большие объемы передаваемых данных, низкая отказоустойчивость. Эти недостатки влияют на временные характеристики формирования управляющих воздействий, непосредственно связанные с показателями качества РСУ.

Для стандартной технологии CORBA GIOP реализация процедур управления вызовами удаленных методов и управления обнаружением распределенных объектов является менее оперативной по сравнению с другими процедурами системы интеграции. Показано, что для реализации асинхронного взаимодействия на уровне брокера необходимо создание системы потоков. Выделены возможные методы повышения эффективности CORBA-систем, основанные на принципах минимизации времени обнаружения распределенных объектов и применения асинхронного многопоточного взаимодействия.

Показано, что выбор рационального варианта построения РСУ осуществляется путем решения многокритериальной задачи. Показателями качества системы при этом являются:

- время обработки запросов на услуги связи;

- вероятность отказа в реализации услуги;

- количество одновременно реализуемых услуг;

- допустимое время реализации задания;

- ВВХ времени ожидания обслуживания и др.

По рекомендациям Форума управления телекоммуникациями (TMF) в качестве критерия оценки эффективности РСУ может использоваться функционал Ф = ^РкТк(А) —> min, A = (F-(D+R))IF, где Тк - время завершения обслуживания, к

Рк - приоритет А>ого требования, F - время между сбоями, D - время выявления сбоев, R - время восстановления после сбоев, А — отказоустойчивость.

Очевидно, что единственным фактором, не поддающимся контролю, является промежуток времени между сбоями, он непредсказуем. Параметры Вий могут быть оптимизированы путем совершенствования алгоритмов управления вызовами удаленных методов и управления обнаружением распределенных объектов (рисунок 1).

Рисунок 1 — Модель системы интеграции ПК

Содержание этих алгоритмов должно заключаться в распределении средств системы интеграции ПК между задачами управления обменом сообщений, управления потоками, соединениями, вызовами

удаленных методов, обнаружением распределенных объектов с целью минимизации ОиЛ.

Во второй главе проведен анализ способов интеграции распределенных приложений. Показано, что в структуре СОКВА возможно выделить несколько потоков обмена данными и получить за счет этого набор методов, сокращающих системные затраты на реализацию обменных процессов между модулями системы и сокращающих время восстановления системы после сбоев. Одними из возможных направлений повышения отказоустойчивости системы управления является применение альтернативных путей для передачи потоков данных, уменьшения времени реакции системы на запрос пользователя путем сохранения состояний сервантов в постоянной памяти, использование многопоточных асинхронных механизмов обмена данными. Анализ методов повышения отказоустойчивости распределенных приложений показал, что в основу построения отказоустойчивых систем могут быть положены способы минимизации времени межобъектных вызовов, применение асинхронного взаимодействия. Исходя из логики работы, подсистема управления обнаружением распределенных объектов представлена как конечная вложенная цепь Маркова, позволяющая получить вероятности состояний системы в удобном для практического применения виде.

В основу сетевой модели брокера объектных запросов положена замкнутая стохастическая сеть массового обслуживания (СеМО), получены основные ее характеристики в мультипликативном виде. Данная стохастическая сеть характеризуется следующими параметрами:

Я — количество классов заявок в сети = 1, ...,/•; А/ — количество узлов сети; п = (й, , пъ, ...,ид) ) - вектор, характеризующий количество заявок в узлах; Щ, - вектор состояния узла /',щ /7,2,я,з,...,/?,>. — содержит количество заявок каждого класса; и, - количество заявок в узле (,I =(1, Л/); 1,г(п) - интенсивность обслуживания в /-ом узле заявок класса г в зависимости от состояния узла;

РГ1](п) - вероятность перехода заявки класса г после обслуживания из узла / в узел у;

W) =

Гг, 1,1

Л-,2,1

^,2,2

Рг,2,М

- матрица вероятностей переходов для

Л-.Л/Л Рг,М,2 - Рг,М,М заявок класса г, зависящая от состояния сети.

Для определения вероятностей нахождения узла в состоянии п используются выражения:

.-1 "

P(n) = G-l(NhNk,...,NR)l\Zi(ni),

(1)

где Z, (n, ) =

„ I R 1 М _ _

ТГ1— , CjR = IещРр(OU = 1, А/; г = 1, R),

Пм,тг=1"1Г' 1=1

Д=1

Мл = Л/,2 = ...= = Л/, O-(.V) =

' It i=l

Пропускная способность узла /' для сообщений г-го класса

N* п

Nr

Среднее число сообщений класса г в центре г /.,>• (N R) = ^R)nr. (3)

"r= 1

Значение среднего времени ожидания сообщений г-го класса в центре i Tjr(Nr) = [\ + ЩИц-Щ/Mr-

Исходя из логики работы, подсистему управления обнаружением распределенных объектов можно представить в виде трехфазной СМО. На первой фазе обслуживания в данную систему поступают запросы от взаимодействующих ПК. Особенностью данной фазы является наличие конкуренции между одновременно поступающими запросами, поэтому длительность обслуживания будет складываться из длительности устранения конфликтов и длительности поиска. Функцию распределения длительности обслуживания на второй фазе обозначим B(t,r), где г - число запросов в очереди. Обозначим Р, как стационарную вероятность того, что система находится в состоянии г. Учитывая, что данная система может быть представлена как конечная вложенная цепь Маркова, получаем систему уравнений:

Р0 = р,--0(1) + р0.-0(0), Р, = pf0(2) + A-i(l) + P„-,(0),

Л'-i = I Ргх-■(') + д,-.,м(0)-3десь

(г) - вероятность поступления в очередь к новых запросов за время разрешения конфликта между г запросами и передачей одного из них (к<,Ы-г),

где qr - вероятность поступления запросов с прибора первой фазы при наличии в

« N

очереди г запросов <7, = J(1 -е M)d B(t, г), ^(Poj + P\j) = 1.

о 7=0

Полученные выражения позволяют проводить анализ системы в общем случае, т.е. определить такие характеристики, как время ожидания в очереди, вероятности состояний и др.

Данную модель можно уточнить путем анализа третьей фазы обслуживания, которая соответствует задержке на процедуру поиска нужного ПК.

Под состоянием системы в данном случае будем понимать пару (/, у), где i -состояние обсуждающего прибора третьей фазы (/ = 0- прибор свободен, j = 1 -прибор занят); j = 1, N - число сообщений на второй фазе, т.е. число станций, пытающихся занять канал.

Пусть ру - стационарная вероятность пребывания системы в состоянии (/, j) . Система уравнений для нахождения ру имеет для состояний типа (1, /) (/ = 1,..., N-1) следующий вид:

NÀp00+apl0 =0, -((N-W + a)plo+q{ppol = 0,

- ((Л' - / - 1)Л + а)ри +(Л'- /)ЛЛ(/-1)+<7(/+1)/' Р0(,+1) = 0,

а для состояний типа (0, /) (г = 1.....N) -((с/1// + (Л'-1)Л)р01 +Л,и/;00 +ор\\ =0,

- ((Я+ {N - ¡)X)pqî + (N — i — l)Apo(i-l) + apii = 0.

N

Условие нормировки ^{Poj + p\j) = 1 ■

y=о

Данные модели дают возможность получить основные характеристики подсистемы в удобном для практического применения виде.

На основе аналитической модели разработана имитационная модель системы обнаружения распределенных объектов, дающая возможность получить статистику таких показателей качества, как время обработки запросов, вероятности отказов, ВВХ времени ожидания обслуживания и др.

В третьей главе проведены разработка и анализ методов повышения отказоустойчивости распределенных приложений систем управления. Показано, что существующие в РСУ технологии обмена потоковых данных и репликаций RabbitMQ, ActiveMQ, CORBA избыточны, требуют значительных системных затрат, дополнительных системных протоколов типа AMPQ. Существенным недостатком таких систем является их низкая отказоустойчивость, неспособность в полной мере поддерживать работоспособность системы управления. Показано что, возможности подсистемы транспорта сообщений технологии CORBA производить обмен данных на внутрипроцессном уровне позволяют реализовать отказоустойчивые одно- и многопоточные механизмы реализации брокера с минимальными затратами ресурсов и сокращением времени восстановления системы после сбоев; в основу алгоритмов обеспечения отказоустойчивости распределенных приложений положены методы снижения нагрузки на объектный адаптер путем исключения повторных запросов, вызванных сбоями в работе системы, введением нового компонента «Реестр КСВ». Функцией данного компонента является резервное хранение групп компонентных ссылок взаимодействия (КСВ). При формировании услуги связи, после получения КСВ для вызова очередного ПК, данная и резервная ссылки копируются в реестр КСВ.

В случае отказа при обращении к ПК, системе не нужно снова формировать КСВ, достаточно считать резервную ссылку и выполнить вызов резервного ПК. Если причиной отказа является повреждение или потеря пакетов при передаче запроса, то повторный вызов осуществляется по той же основной ссылке. В случае повтора отказа используется резервная ссылка.

Данный метод обеспечит повышение отказоустойчивости системы за счет снижения нагрузки на объектный адаптер (ОА), а исключение повторного формирования КСВ позволит сократить время повторного вызова. Общая схема отказоустойчивой системы интеграции изображена на рисунке 2.

Обработка вызовов ПК может осуществляться однопоточным и многопоточным механизмами. Однопоточный механизм выполняет вызовы от центра управления (ЦУ) к ПК последовательно по мере их поступления. Многопоточный механизм осуществляет вызовы с распределением ожидания по всем параллельным потокам. В отличие от однопоточного механизма, вызовы, на выполнение которых требуется меньше времени, обрабатываются параллельно с задачами, требующими большее количество времени. Разработанный алгоритм многопоточной обработки вызовов позволяет избежать тупиковых ситуаций между процессами и эффективнее использовать аппаратное обеспечение.

Центр управления

Клиентский стаб (proxy)

ПРП ПМП

Маршалинг

Программный компонент

Серверный стаб (skeleton)

ПРП ГШП

Брокер (ОЯВ)

Реестр КСВ Репозиторий объе ктн ых да нн ых Объектные адаптеры

Рисунок 2 — Функциональная модель отказоустойчивой системы интеграции ПК РСУ

Однопоточный и многопоточный алгоритмы повышают отказоустойчивость системы и сокращают время на восстановление после сбоев, однако не обладают достаточной гибкостью. Однопоточный механизм подразумевает, что для выполнения каждого последующего ПК необходим результат предыдущего. Таким образом, все ПК выполняются последовательно, что значительно замедляет реализацию телекоммуникационной услуги. Причем возможно, что некоторым ПК не требуются данные предыдущих компонент. Многопоточный алгоритм обработки ПК значительно понижает время формирования телекоммуникационной услуги. Однако многопоточное выполнение ПК подразумевает несвязность логики их реализации. Таким образом, не каждая услуга может быть выполнена на основе многопоточного алгоритма. Необходим алгоритм с минимальным временем обработки ПК, на основе которого может быть выполнена любая услуга. Устранить данные недостатки может представленный ниже алгоритм обеспечения отказоустойчивости при комбинированной интеграции ПК (рисунок 3).

Рисунок 3 - Алгоритм обеспечения отказоустойчивости при комбинированной интеграции ПК

Он объединяет в себе однопоточный и многопоточные механизмы. При поступлении запроса на реализацию телекоммуникационной услуги в ЦУ, определяются ПК, необходимые для ее реализации. Затем они распределяются на группы связности. Данные группы формируются на основе логики выполнения ПК. Группы связности связанные образуют между собой ПК, выполнение которых должно быть строго последовательно.

После обращения в репозиторий КСВ, выполняется параллельная обработка несвязных ПК и групп связности. Реагирование на сбои осуществляется

аналогично с разработанным выше методом повышения отказоустойчивости для однопоточного и многопоточного механизма обработки ПК. Полученные ссылки запросов КСВ также копируются в базу реестра КСВ, для их последующего использования системой отказоустойчивости при сбое. После обработки все выполненные несвязные ПК и ПК, образующие группы связности, объединяются в ЦУ в соответствии с логикой формирования услуги. Данный алгоритм снижает время реализации услуги и не зависит от логики обработки ПК. При этом обработка сбоев ПК и процессов их восстановления будут происходить параллельно, что сократит время реакции системы на возникающие проблемы.

Для оценки предлагаемых алгоритмов обеспечения отказоустойчивости системы разработаны математические модели управления вызовами распределенных приложений, позволяющие определять численные значения параметров системы управления, получать их оптимальные значения; разработан метод снижения частоты сигнальных сообщений за счет размещения на каждом из процессорных модулей системы программных компонент с наибольшими частотами взаимодействия. Это позволяет существенно снизить нагрузку на систему сигнализации, повысить ее отказоустойчивость.

На основе алгоритма управления вызовами распределенных приложений разработана соответствующая математическая модель, представленная в виде двухфазной СМО. Состояние системы описано вектором {/, ]}, где (,У количество вызовов на первой и второй фазах соответственно. Данный процесс является Марковским Р(/, у, <) = РШ) = /, У(0 = У) и удовлетворяет равенствам

Р(/, у, / + Д/) = Р(1, у, /XI У//2Д/) + РО +1, У -1, 00' +1)/',^ +

+ Р(1 +1, У,/)(/ + 1)р,Д/ + />(' -1, У, 1)Ш + Р(/, у +1, /)(У + 1)//2Л/), при условии У, /„) = Роа, у).

Для двухфазной СМО уравнение для определения Р(г, у, 0 будет иметь вид

аР(''Л°(Я + ///, + ]р2 )Р(/, У, /) = ЯРО -1, У, /) + (/ + 1)/л •

Й (4) • рц+1, у, /)+(/+о/^/ч/+1, у -1, о+(у+\)ргра, у+1, /).

Решение уравнения (4) можно получить методом производящих

оо

функций ПФ С(х, у, /) = ^х'у'РО, ), /).

/,7=0

С помощью дифференцирования ПФ можно вычислить моменты случайных величин / и У любого порядка, т. к. распределение любой случайной величины однозначно определяется ее ПФ.

Очевидно, что Р(/,у) = ^(/)-Р2(у), где ^ = Р2и) = •

Данные равенства позволяют определить число запросов на 1-ой и 2-ой фазах системы управления.

Разработана математическая модель комбинированного метода интеграции ПК, представленная в виде многофазной СМО. Получены выражения, позволяющие вычислить два первых момента стационарного времени ожидания и пребывания требований в системе

аВ~> . а[)\ (аВ2)2

2(1 -Р) 3(1-р) 2(1-р)

&1=™\+/Зх\ = "'2 +/?2 + 2ч|/?|, где Р\,Р2,Ръ ~ первый, второй, третий моменты времени обслуживания, н'Ьи>2 - моменты времени ожидания обслуживания, а - параметр входного потока, р - загрузка системы.

Показано, что каждый запрос на реализацию услуги вызывает обмен несколькими сигнальными сообщениями между распределенными модулями системы. Анализ только информационных потоков не дает возможности проведения полного исследования. В работе решена задача оценки зависимости пропускной способности информационных каналов РСУ от загрузки каналов системы сигнализации, влияния пропускной способности системы сигнализации на показатели качества системы интеграции РСУ.

Очевидно, что снижение частоты сигнальных сообщений возможно путем минимизации потока вызовов между отдельными ПК, за счет размещения на каждом из процессорных модулей ПК с наибольшими частотами взаимодействия. Задача оптимальной сегментации ПК РСУ описана поглощающей цепью

Маркова с матрицей переходных вероятностей б = ) для невозвратных

состояний и вектором Я = ||Я, ||"=1 начальных состояний.

п п

Среднее число переходов из Р-го сегмента будет равно £ £ пЧ , а среднее

/=1у=1

п п п

число межсегментных переходов С= > гДе т> ~ среднее число

к=1/=1_/=1

выполнений 1-го ПК, Ру-вероятность передачи управления>му ПК.

Минимизация данного выражения обеспечивает рациональное размещение ПК на процессорных модулях РСУ, снижение загрузки сигнальных каналов.

В четвертой главе проведено исследование показателей качества отказоустойчивых РСУ. В основу оценки параметров функционирования брокера объектных запросов СОЯВА положена замкнутая стохастическая СеМО. Показано, что если що = {щ(1), п2(0,...,»*(')}, где ик(/) - число сообщений, находящихся в я узле в момент г, то вероятность отказа в реализации запроса Рп и время задержки при его реализации определяются выражениями

р„ =|__!_ Т _ ■ ■ у(Л', л/) _ у/(Л', М)

. ДГ » 1 зад

МХ-УГгШ-МЫ.тЛ" №. ег¥(М-\,М) у,(М-\,М)

Ы>{ ег¥(М-\,М) ) (N-1)1. где IV, - время занятия брокера одним запросом, М, - интенсивность обработки запросов, N - количество одновременно обслуживаемых запросов, м - количество каналов обслуживания, е, - среднее число посещений,

Пл (У). если центр / зависит от нагрузки,

[(е, /)"', если центр / не зависит от нагрузки С использованием пакета программ МаЛСАО получены зависимости вероятности отказа в обслуживании запросов, задержки обслуживания от интенсивности поступления запросов.

При исследовании подсистемы управления обнаружением распределённых объектов технологии СОЯВЛ показано, что основное влияние на показатели качества системы оказывает загрузка системы.

Для определения значений среднего времени обслуживания запроса типа /, при нахождении системы в состоянии у, необходимо решить систему из зк линейных уравнений с зк неизвестными при выполнении условий

к 3

1- X Еа</5 у 2 °> где ап = ,1т уии-

/ = 1 у = 1

л i=l J-1

о i-1 У-1

00

где Ljj = j fij^e'^ds, к - тип потока, /у - плотность распределения длительности о

обслуживания сообщения типа /, Fy - число сообщений / -го типа, Sy - средняя длительность обслуживания сообщения типа /.

Численные результаты расчетов получены с использованием пакета программ MathCAD.

Очевидно, что основной вклад в длительность обслуживания вызова определяет загрузка брокера объектных запросов. Блокированные вызовы, в конечном счете, обслуживаются, даже если требуется их многократное повторение. Граф повторных запросов приведен на рисунке 4.

Для фазы приема характерна ситуация возможной блокировки запросов, их возврата и последующего успешного обслуживания.

Показано, что ^„W = (l-/>e„) l + Z^Il^-^W) .

РШ = /1(1 -рт)' =

An,

4=П, />(Л,) = 1

-р0 )"р„т,

2.4.РД, (1- роп у роп,

2.3.i>i(l- р<т у рот

2.2.i£(l- роп )ро„,

21 ■рь.роп,

t.n.p£\l-p0 лг)"

1.р1.^-рот, >'U

i з.^.а-Рот )=(1 -рь.1

1.2. pfrt{l-pom )(1" pd

1.1.(1-^,,)

Рисунок 4 - Граф повторных запросов

Для фазы обработки запросов получены выражения для функции распределения стационарного времени ожидания

определения

и (0 = (I-- р)еа' У

;=0 Л

а также первый и второй моменты времени обслуживания

(* о

#¿(2 + р)

2(1 -р) 6(1 -р) В таблице 1 представлены результаты расчетов данной подсистемы. Вероятность отказа в обслуживании будет равна вероятности состояния «канал занят».

Таблица 1 - Показатели качества отказоустойчивой подсистемы

Загрузка системы р 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Длительность обслуживания и^ 7,000 7,000 7,1212 7,1215 7,1531

Вероятность отказа Ротк 0,0010 0,0010 0,0012 0,0012 0,0014

Решена задача оценки зависимости пропускной способности информационных каналов РСУ от загрузки каналов системы сигнализации. При этом, разработан метод, обеспечивающий снижение частоты сигнальных сообщений между ПК, а также алгоритм минимизации системных затрат интеграции ПК.

1. Построение матрицы переходных вероятностей между п ПК -Я = |Р„ I" , Р = Я'Уу . где й - среднее число передач управления между ¡-м и >м

/ j

ПК, Рц - вероятность передачи управления ]-му ПК.

2. Описание разбиения ПК на сегменты Ф.

[1, если Пк': е Ф,,

У = ь.

, и, и- ч 1-.--------,--». , П, если блоки г, /еФ„

»Им.».,- £= ,,-,"гдеу» = п >и= л

10, в противном случае; [0, в противном случае.

Ограничения ^^А - в > гдс $ ~ объем памяти для г-го ПК, В - объем памяти

1-1

для сегмента Ф.

3. Определение среднего числа переходов из к-го сегмента С = ¿¿т,^/',,,

1=1 7-1

где ш/ - среднее число выполнений ¡-го ПК.

4. Минимизация среднего числа межсегментных переходов

с = = Х2>,А . где р, = *уу

*=1 /=1 >=1 1=1 ;=1 / А ¡1

при

ограничениях

< ВД;+/,,-2/,/,,/,, <1: для VI,/,/, обеспечивающих вхождение каждого

м

ПК в состав лишь одного сегмента Ф.

5. Решение задачи минимизации числа межсегментных переходов стандартными методами целочисленного линейного программирования, например средствами платформы МаЛетаПса.

Качество решения оценивается средним числом передач управления при реализации обменных программ системой интеграции. Минимизация системных затрат обеспечивается размещением в каждом из фрагментов ПК имеющих наибольшие частоты взаимодействия.

Разработанные аналитические и программные модели дают возможность осуществлять операции сравнения вариантов построения системы с целью выбора альтернативы ее построения.

Заключение

1. Впервые разработаны методы повышения эффективности ССЖВА-систем, основанные на принципах минимизации времени обнаружения распределенных объектов и применения асинхронного многопоточного взаимодействия.

2. Сформулирован новый методологический подход к разработке отказоустойчивых распределенных систем управления телекоммуникациями, позволяющий устранить недостатки существующих избыточных отказоустойчивых систем.

3. Разработаны алгоритмы интеграции программных компонент параллельной, последовательной и комбинированной обработки ПК, обеспечивающие повышенную отказоустойчивость к сбоям и сокращающие время реакции системы на возникающие проблемы при реализации телекоммуникационной услуги.

4. Разработан комплекс аналитических и имитационных моделей, ориентированный на исследование показателей качества реализованных и предлагаемых отказоустойчивых РСУ, позволяющий осуществлять операции количественного сравнения альтернативных вариантов их построения.

5. Разработаны математические модели методов интеграции ПК, дающие возможность получить зависимости времени ожидания, времени обработки запросов на обслуживание от загрузки системы и объема запросов.

6. Представлен метод анализа пропускной способности системы сигнализации РСУ, позволяющая оценить зависимость пропускной способности информационных каналов РСУ от загрузки каналов системы сигнализации и влияние пропускной способности системы сигнализации на показатели качества системы интеграции РСУ.

7. Предложен комплекс моделей и алгоритмов разработки отказоустойчивых РСУ, позволяющий проводить исследование системных связей и закономерностей функционирования ее элементов, оценивать влияние процессов их взаимодействия на характеристики системы в целом.

8. Представленные методы, аналитические и имитационные модели разработки и исследования процессно-ориентированных систем управления позволяют построить интегрированную систему управления на новой распределенной платформе, повысить качество и эффективность предоставляемых операторами услуг связи.

Основные публикации по теме диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1.Ямбулатов, Э. И. Метод и модель оценки состояния системы ОЗБ/ВЗБ оператора связи / Г. В. Слюсарев, Д. В. Мочалов, Э.И. Ямбулатов // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. - 2011. - № 2. -С. 39-43.

2. Ямбулатов, Э.И. Формализованное описание процесса функционирования системы ОЗБ/ВЗБ оператора связи / Д. В. Мочалов, Д. В. Владимиров, Э. И. Ямбулатов // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. - 2011. - № 3. - С. 49-53.

3. Ямбулатов, Э. И. Приближенный метод расчета процессных систем управления сетями и бизнесом оператора связи / Д. В. Мочалов, Э. И. Ямбулатов // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. - 2012. - № 3. - С. 40-45.

4. Ямбулатов, Э. И. Математическая модель сервиса интеграции программных компонент процессно-ориентированных систем управления оператора связи / В.П. Мочалов, Н. Ю. Братченко, Э. И. Ямбулатов // Теория и техника радиосвязи. - 2013. -№ 2.-С. 83-89.

5. Ямбулатов, Э.И. Беспроводная автоматизированная система сбора и обработки данных / В. П. Мочалов, С. В. Яковлев, Э. И. Ямбулатов // Теория и техника радиосвязи. - 2014. - № 1. - С. 79-87.

6. Ямбулатов, Э. И. Архитектура РСУ телекоммуникационными сетями на основе технологии CORBA / В. П. Мочалов, С. В. Яковлев, Э. И. Ямбулатов // Теория и техника радиосвязи. -2014. -№ 3. - С. 19-26.

7. Ямбулатов, Э. И. Модель управления вызовами системы управления телекоммуникациями на основе технологии CORBA / В. П. Мочалов, Э. И. Ямбулатов // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. -2014.-№ 1 (40).-С. 21-26.

8. Ямбулатов, Э. И. Алгоритм повышения отказоустойчивости процесса интеграции программных компонент на основе технологии CORBA/ Э. И. Ямбулатов//Вестник Северо-Кавказского федерального университета. - 2014. - № 3 (42). - С.37-41.

Другие публикации

9. Ямбулатов, Э. И. Модели обработки услуг в системе OSS/BSS оператора связи / Д. В. Мочалов, Э. И. Ямбулатов // Актуальные проблемы и инновации в управлении, ИТ: материалы международной научно-практической конференции. -Ставрополь: СевКавГТИ, 2011. - 220 с.

10. Ямбулатов, Э. И. Адаптация использования вычислительных ресурсов для распределения нагрузки в социальных сетях связи / Э. И. Ямбулатов // Актуальные проблемы современной науки: материалы международной научно-практической конференции. - Ставрополь: СевКавГТИ, 2013.-212 с.

11. Ямбулатов, Э.И. Математическая модель распределенной системы управления телекоммуникационными услугами / Н. Ю. Братченко, Э. И. Ямбулатов, Ф. А. Абрамян // Научный потенциал XXI века: материалы VII Международной молодежной научной конференции СКФУ. - Ставрополь: СКФУ, 2013.-228 с.

12. Ямбулатов, Э.И. Математическая модель взаимодействия элементов распределенной системы управления (РСУ) телекоммуникациями оператора связи / Э. И. Ямбулатов // Сборник научных трудов «SWord»: «Перспективные инновации в науке, образовании и транспорте». - Одесса: ОНМУ, 2013. - 112 с.

13. Ямбулатов, Э.И. Анализ системы обслуживания заказов оператора связи / Э. И. Ямбулатов // Сборник научных трудов «SWord»: «Перспективные инновации в науке, образовании и транспорте». - Одесса: ОНМУ, 2013. - 112 с.

14.Ямбулатов, Э.И. Алгоритм взаимодействия процессорных модулей распределенной системы управления / Э. И. Ямбулатов // Сборник научных трудов «SWord»: «Перспективные инновации в науке, образовании и транспорте». - Одесса: ОНМУ, 2013. - 112 с.

15. Ямбулатов, Э. И. Распределенная система управления телекоммуникационными сетями на основе технологии СОГША / В. П. Мочалов, Э. И. Ямбулатов // Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании (Инфоком-6): материалы 6-ой Международной научно-технической конференции. - Ставрополь: СКФУ, 2014. - 288 с.

Личный вклад. Все результаты, составляющие содержание данной работы, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателем осуществлен анализ современных систем управления телекоммуникациями [4, 13], методология разработки отказоустойчивых систем управления телекоммуникациями [1, 6, 15]. Разработаны алгоритмы интеграции программных компонент параллельной, последовательной и комбинированной обработки ПК [8]. Разработан комплекс аналитических и имитационных моделей, ориентированный на исследование показателей качества реализованных и предлагаемых отказоустойчивых РСУ [3, 7].

Подписано в печать 08.09.2014 Формат 60x84 1/16 Усл. п. л. 1,11 Уч.-изд. л. 0,91

Бумага офсетная Заказ 311 Тираж 100 экз.

Отпечатано в Издательско-полиграфическом комплексе ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» 355029, г. Ставрополь, пр-т Кулакова, 2

Подписано в печать 08.09.2014 Формат 60x84 1/16 Усл. п. л. 1,11 Уч.-изд. л. 0,91

Бумага офсетная Заказ 311 Тираж 100 экз.

Отпечатано в Издательско-полиграфическом комплексе ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» 355029, г. Ставрополь, пр-т Кулакова, 2