автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Резервирование, восстановление и регистрация информации в автоматизированных системах управления, функционирующих на базе локальных сетей ЭВМ

&0 J r ' Г;

РОССИЙСКАЯ лклделтя НАУК

ОРД E.H'jA ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ

на правах рукописи. КАРСА1ВДЗЕ Тенгиз Вахтангович.

РЕЗЕРВИРОВАНИЕ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ ИНФОРМАЦИИ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ, «УНКЦИОНИРУЩК НА BASE ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ ЭВМ.

(Специальность и 05.13.06 - " Автоматизированные системы управления").

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва - 1992г.

Работа выполнена в Ордена Ленина Института проблем управления РАН

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор КУЛЬСА в.В.

Официальные оппонента: доктор технических наук,

профессор Вишневский В.М. кандидат технических наук, Ухзстов К.А.

Ведущая организация: Грузинское научно - производственное объединение вычислительной техники и информатики.

.. 11... 1МНЯ 199аг- в 1±

Защите диссертации состоится " - " —■■ ■ ■ "— 1992г. в -час.

на заседание Специализированного совета н 4 (K-ooa.6a.oi) Института проблем управления РАН по адресу: 117306, Москва, ул. Профсоюзная, д. 65.

Телефон совета: 334-93-29-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института пробл* управления РАЛ .

Автореферат разослан п—.^-—* —/4 Ч ■/?- ^^2

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат технических наук

ВВЕДЕНИЕ

Коренная реформа системы управления и повышение ¡кЭДоктиыюстн во ункционирования в условиях рыночной экономики является одной из дентальных задач нашего государства на современном отапо. Одним из основных утей повышения качества управления является создание и использование асокоэффэктквных А.СУ в различиях звеньях экономической структуры, снову которых составляет использование новых технология обработки энных на базе локальных вычислителышх систем (ЛЕС).

Актуальность проблемы. Функционирование АСУ любого уровня и назн.ч-эния, связано с вводом, обработкой, хранением и выдачей в соответствии тробовоиияш пользователей больших объемов информации. Полноо или зстичное разрушение информационных массивов, п также компонент рограммного обеспечения, связанное с возникновением сбоов и откззон шгических средств, ошибками в программах, нарушениями регламента эботц с системой со стороны пользователей и персонала ЛВС приводит к шчителмшм потерям и, как следствие, к снижению эффективности ^акционирования АСУ. Значительно затраты на разработку и эксплуатацию ютом этого класса могут оказатся неоправданными, если не гараитируотся юевременное и надежное обслукивание пользователей в реальном масштабе земени.

Поэтому особуп значимость приобретает задача обеспечения высокой щекности ЛВС как путем построения надежных сетей связи, объединяющих дельные ЭВМ в единую систему, так и повышения надежности программного информационного ' беспечения ЛВС. Эффективным методом решения данной !дачи является Обеспечение бысокого уровня сохранности информационного программного обеспечения, что связано с привлечением дополнительных юурсов. Это приводит к необходимости- выбора оптимальных решений: по >е стечению физической целостности данных, учитывающих требования к !дожности программного и информационного обеспечения и затраты на их ализацию. Сказанное выше обуславливает актуальность проведенных | следований.

Цель работы. Цельо выполненных в диссертационной работа научных исс-довзний является анзлиз с единых методологических позиций и разработка тодов повышения сохранности программного и информационного обеспв-ния автоматизированных систем управления различного класса и значения, функционирующих на базе ЛВС, посредством использования рмализованных моделей и методов резервирования, дампирования, сстановЛения и регистрации данных и программ, а такие их оптимизации.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работ! получены. 5; математически обоснованы с использованием аппарат! математического анализа, теории разностных схем, методов твори вероятностей, исследования операций и математического программирования.

Ичучиая новизна. В рамках единой методологии разработан обци! подход, тесроткческло положения, формализованные модели и мьтоды ремонкя различных классов практических задач повышения сохранност! (резервирования, восстановления и регистрации) информационных массивов 1 программных модулей в АСУ, функционирующих на базе ЛВС. Разработанные модели и методы являются обобщением и развитием известных подходов к решении рассматриваемой проблемы и позволяют осуществлять расчет 5 анализ вероятностных, временных и экономических показателей различал стратегий резервирования программных модулей и информационных массивов -1 ЛВС.

Предложенный комплекс моделей позволяет проводить анализ эффективности практически любых вариантов схем резервирования с учети. особенностей функционирования ЛВС, заключающихся в возможности использования централизованного и децентрализованного хранения резерва, примолоты нескольких дисциплин -обработки поступающих запросов; необходимости учота надежностных, стоимостных и временных характеристик каналов связи и ПЭВМ ЛВС при анализе и выбора оптимальных стратегий, г также топологии ЛВС, задерхки сообщений и т.д.; возможности использования различных вариантов организации восстановительного резервирования.

Предложен и' исследован новый тал избыточности информационные массивов в ЛВС, который определен как структурно - технологически! резерв. Рассмотрены метода формирования структурно - технологического резерва и оптимизации его использования.

Разработанный формализованный аппарат решения задач восстановления I дампирования информации обеспечивает выбор • оптимального метод! дампирования массивов данных, оптимального числа копий дифференциальные массивов и системных журналов, оптимального числа их поколений пс критерию минимума средних эксплуатационных затрат системы н; Фуш{Ционирова1ше.

Поставлена и решена задача моделирования макроскопического состоят! распределенной базы данных (РБД) в ЛВС. функционирование РЕД моделируется двухмерный симметричнс.: случайным блухдаююи, а состояние локальных баз данных (ЛВД) описывается при этом распределение» вероятностей ее отказов. Предложенная модель макроскопического оиисанш РБЛ в динамике позволяет определить среднее число отказавших ЛБД I

оизволышй момент времени.

В работе поставлен!! и решены задачи анализа н синтеза доторминиро-нной и случайной систем регистрации.

Формализованное модели и методы расчета и анализа характеристик ратегий резервирования модулей и массивов, оптимальных по зличшм критериям эффективности, выбора методов разорпировзния и дис-плин- обработки запросов в ЛВС, впервио разработана и опубликовшш тором либо являются развитием известных, методов пошшония сохранности, сиирящим область юс использования и учиитакждам особенности «кокопия утих методов в ЛВС.

Практическая ценность. Использованио разработанных мадерой и методов 1вышения сохранности программ и данных ь' АСУ, функционирующих на бпзо 1С для анализа и синтеза систем резервирования, восстановления и -гистрации информации, обеспечивает значительное снижение вероятности I разрушения при рациональном использовании внешних запоминающих ¡тройств и временных ресурсов и, как слодствиэ, сникеше эксплуата-ганшх затрат. Использование предлагаемых моделей и методов повышения !хратюсти обеспечивает существенное снижение (на 20 - 25 %) временных стоимостных затрат на обеспечение требуемого уровня сохранности даи-IX. На основе предложенных моделей: и методов разработано программное Истечение для решения задач резервирования и восстановления двшшх и юграмм в ЛВС, реализованное на языке ПАСКАЛЬ и предназначенное для ¡пользования разработчиками на этапах технического и рабочего проекти->вания АСУ функционирующих на базе ЛВС, а также на этапах их опытной и ЮяГиШлонной эксплуатации.

Внедрение. Разработанные модели и метода повышения сохранности юграмшюго I; информационного обеспечения АСУ. функционирущих на базе ¡С использованы при разработке распределенной информационной системы • гравления материальными ресурсами для Тульского региона АСУ " Тула -(таллобеспечвнив", АСУ ПО "Молдавизолит" г. Тирасполь, АСУ ПО "Элект-шппарат" г.Тбилиси, АИУС Чернобыльской зоны (Гомельский и Брянский 1ГИ01Ш). На основе предложенных моделей и методов разработан ряд •андартов предприятий. Внедрение результатов диссертации позволило ¡высить уровень сохранности программного и информационного обеспечения среднем на 20 - 30 % при рациональном использовании ресурсов ¡числительных систем.

В целом внедрение разработанная моделей и методов позволило получить еономический эффект, состовляющий свыше 100 тыо. рублей в год.

Апробация работа. Основные результаты' диссертационной работы

докладывались автором и обсуздались зш международной конференции п эгидой ЮНЕСКО (Ереван, 1ЭЭ1), 4 - ой Всесоюзной школе " Проектирован автоматизированных систем контроля и управления сложными объектам (Харьков - Туапсе, 1990), 3 - ем Всесоюзном совещании по распределены автоматизированным системам массового обслуживания (Москва, 1990), 4 ом совещании по распределенным вычислительным системам массово обслуживания (Москва - Душанбе, 1991), Мег.дународном симпозиуме "SAP. process * 91 *" (г. Бадэн - Баден, ФРГ), Все союзной научно - техническо: конференции "Средства и системы автоматизации управления процессам; сельскохозяйственного производства" (Паланга, 1991), Всесошн. конференции по распределенным системам (Винница, 1990) и друг] совещаниях и конференциях.

Связь диссертации с планом научных работ. Проведенные автором исследования выполнены по плану научно-исследовательских работ ордена Ленина Института проблем управления РАН - тема к 19-84 "Автоматизация проектирования типовых модульных информационно - управляющих систем' (номор государственной регистрации 32474319). в соответствии с uoJienoi комплексной программой ГККГ 0.80.06 "Создавать и усовершенствовать действующие автоматизированные системы управления (АСУ) промышленными министерствами, производственными объединениями и предприятиями"., "Координационным планом НИР АН СССР на 1986-1990 годы пЛ.12.4.1. "Автоматизация проектирования систем и средств управления" и заданием 2.11 "Разработка теоритических основ и промышленной технологии автоматизированного проектирования информационного и программного обеспечения САПР на базе типовых модульных СОД" в рамках Комплексной программы НТП СЭВ. ;

Публикации. Результата проведенных автором научных, исслодовани опубликованы в девяти печатных, трудах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит' из введения, четыре 'глав, заключения и приложения и содержит .страниц машинописног текста, Л!.. рисунков, таблиц.

Содержание работа.

Во введении дано обоснование актульнооти решаемых в диссертации задач выбора цели, объекта и направления исследований, приведены ochobhhi положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы выявлены особенности и задач! оптимального резервирования - восстановления информационных массивов i

ограммных модулей в ЛВС как эффективного метода пошшешя уровня 1а хранности, проведена классификация ЛВС и основных разрушающих модули и ссивы факторов, а также исследования характеристик существующих медов резервирования.

Широкое внедрение ПЭВМ в различных областях экономики, интенсивное звитие работ по проектированию ' и практической реализации ЛВС условливает актуальность решения задач обеспечения высокой надежности хнических срэдств и высокого уровня сохранности информационного и юграммного обеспечения ЛВС, определяющих эффективность и качество акционирования созданных на их основе распределенных систем обработки ишых.

Особое внимание в данной работе уделяется проблеме использования ¡годов резервирования - восстановления модулей и массивов в ЛВС как Активного сродства повышения уровня их сохранности, уменьшающего фоятность полной потери информации в результате ее разрушения.

В рамках проблемы обеспечения требуемого уровня сохранности ¡формации возникает необходимость решения двух взаимосвязанных классов ¡дач: резервирования и восстановления данных.

Резервирования является одним из системных методов повышения юесгва функционирования АСУ. В рашсах реализации принципа избыточности »зервирование предполагает хранение идентичной (копий) и неидептичной дюдысторий) информации. В настоящее время используются три основные гратегии резервирования, первая из которых состоит в создании и ведении лшй массива, вторая ориентирована на хранение его предысторий -зедыдущих поколб! '.;а массива и соответствующих массивов .и&мепений, и ретья стратегия, являющаяся смешанной, предполагает использование как зпий, так и предысторий.

Территориальная распределенность * ЛВС обусловливает следующие зобевности использования данных стратегий для "резервирования модулей и зссивов, используемых в ЛВС:

• - возможность использования централизованного и децентрализованного • эриантов хранения резерва модулей и массивов;

- необходимость учета топологии сети, надежностных, временных и гоишстшх характеристик каналов связи и ЭВМ ЛВС, среднего времени эдэржки сообщений и других параметров сети при анализе и выборе тгнмальных методов резервирования массивов и модулей в ЛВС.

- возможность использования для восстановления разрушенной в экотором узле ЛВС информации как неразрушенного резерва узла сети, так

специального резерва в виде архивов магнитных носителей. (АМН),

содоргйзэдх оригиналы и насколько дубликатов модулей и массивов предназначенных для восстановления разрушенной информации;

- возмс^аюсть повшмыш эффективности обслуживания пользователей и уровня сохранности информации за счет использования так называемог структурно - технологического резерва.

- возможность использования следухщих основных дисциплин обработк запросов

1) Запрос пользователя адресуется для обработки в ближайзций узел резервом требуемых модулей и массивов;

2) Запрос адресуется для обработки одновременно в несколько узлов тробуомим резервом;

3) Запрос последовательно передается по узлам некоторого пути содоржашим розерв трэбуешх модулей и массивов, до тех пор, пока либо в некотором из этих узлов запрос не будет успешно обработан, либо не буду1 пройдены все узлы данного пути;

4) Из узла, в котором получен запрос, поочередно опрашиваются несколько ближайших узлов с резервом до тех пор, пока либо из нвкотороп узла но будет получен ответ, либо не будут опрошены все ближайшие

у зли.

О- учотом данных особенностей в работе сформулированы следующие классы ногах задач повшония сохранности инфзмации в ЛВС:

1. Задачи оперативного резервирования : оптимальное размещение резерва модулей и массивов, предназначенного для обработки запросов пользователей; анализ эффективности и выбор оптимальных стратегий резервирования данных одного и многих пользователей в ЛВС с учетом динамики,и использования различных дисциплин обработки запросов на

"использование резерва.

2. Задачи формирования, определения характеристик и оценки эффективности использования различных схем структурно - технологическогс резерва ЛВС.

3. Задачи оптимальной организации дампирования и восстановления информации на основе использования дифференциальных массивов.

4. Задача моделирования динамики макроскопического состояния НЕД в ЛВС в зависимости от характеристик взаимосвязанных ЛБД. состояние которых описывается распределением вероятностей их огозов.

5. Задачи анализа и синтеза систем детерминированной и случайной рэгистрации-дангшх в ЛВС.

Во второй главе с учетом выявленных"4 основных вариантов храненш оперативного резерва невозможных дисциплин обработки запросов получат

налитические вирпжэгая для расчета вероятностных, прог/отшх и тоимостинх характеристик стратегий резервирования, на основе которых роведоло сравнение их эффективности для различных рогамоп ункционировашя и топологии ЛЕС.. Определены условия я^окхивного □пользования централизованного и дэцентрализовашюго хранения.розерва в ВС, поставлены и решены задачи резервирования дашмх. одного и многих эльзователей в сети. Проведен формальней гнализ и показана Квктивность использования различных стратегий р-. ?рвировашш с учетом инамики и различных дисциплин обработки запросов на использованиз эзорва. Определены характеристики и проведен детальный анализ Мективности использования предложенного в работе структурно отологического розерва. Предяокены такко методы формировав я ого □держания.

Объединение ЭЕ'4 при помощи средств связи в ЛВС позволило получить дину и систему, обладающую качественно новыми возможностями эксплуата-ии вычислительной техники.

Возможность использования разнообразных вариантов размещения эзерва по узлам сети и различных дисциплин обработки запросов Зуславливает необходимость решения задач оптимального резервирования '4 и ПМ в ЛВС. В качестве критериев оптимизации используются максимум эроятности и минимум среднего времени получения ответа на запрос, янимум затрат на обработку запросов и хранение резерва.

Размещение в ЛВС резервных копий и предысторий ИМ и ИГЛ значительно •шжает, но не устраняет полностью возможность разрушения массивов и эдулей. Для их восстановления предлагается применять восстановительное эзервировяние, 'заключающееся в использовании некоторого количества эттий и (или) предысторий ИМ и Ш для восстановления разрушенного в цлом из узлов ВС резерва ИМ и ГШ . Особенности резервирования модулей массивов в ЛВС обуславливают воьможность применения двух типов восс-эновительного резервирования:

1) в качество восстановительного резерва (ВР) используется эразрушенный резерв ближайшего узла;

2) в качестве ВР длй целей восстановления информации -пользуется архив магнитных носителей (АМН), размещенный в одном (нап-лмэр, в сервере) или нескольких узлах ЛВО и содержащий оригиналы' и ^сколько дубликатов ИМ и Ш. В этом случае также возникает необходи-эсть размещения ВР в сета, выбора оптимальной схемы восстановления ззрушоншх ИМ и Ш, использующей в качества критериев оптимизации ми-шум'среднего времени и максимум вероятности восстановления разрушен-

ною резерва, минимум затрат на его восстановление.

Выбор оптимального распределения оперативного резерва (ОР) МЫ и И по узлам ЛВС находится в прямой зависимости как от характеристик компонент самой сети, так и от трагика возникавших в ее узлах запросе! резервируемым ИМ и ПМ.

На примере однородной полносвязной ЛВС выполнен анализ влияния интонсившстей запросов, возникающих в отдельных узлах сети, на распределение оперативного резерва Ш и ПМ с точки зрения величины стоимостных затрат на храпение резерва и обработку запросов.Л однородной полносвязной ЛЕС выявлеки условия при котор централизованное и децентрализованное хранение рекерва обеспечива наименьшие стоимостные затраты на хранение резерва и обработку запроса Выявлены также условия, при которых ЛВС в зависимости от параметров компонент можно рассматривать с точки зрения резервирования к простое множество ПЭВМ, т.е.резервирование нужно осуществлять отдельна независимо в каждом узле, где возникают запросы. Доказано, что критерию минимизации затрзг на хранение' резерва и обработку запросов разделение резерва целесообразно, когда выигрыш от разделения будет больше затрат, которые несет система из-за необходимости осуществлять пересылку запросов по каналам связи и увеличения времени получения ответа на запрос (возрастает время ожидания в очереди на обработку). Е противном случае с точки -зрения резервирования ЛВС можно рассматривать как множество независимых ЭВМ и решать задачу оптимального резервирования отдельно для каждого узла сети, в котором возникают запросы.

Отдельной задачей является анализ эффективности различных стратеги резервирования в ЛВС для данных одного и многих пользователей.

Технология переработки информации в ЛВС предполагает выделение дая пых, доступ к которым разрешен только одному пользователю .

Существуют различные варианты размещения этих данных в узлах сети: »локально в одной ПЭВМ и в ПЭВМ и в файл - сервере. В последнем случае диске сервера выделяется специальная область1'для хранения индивидуалы: данных. Наличие различных вариантов хранения данных одного пользовате/ и территориальная распределенность ЛВС позволяет выделить следугщр схемы их резервирования:

- данные одного пользователя резервируются в каадом узле, определении!» количеством копий и/или прэдасторий (дампов);

- копии, предыстории ( дампы) хранятся в файл-сервере.

- резервные данные хранятся в локальной ПЭВМ и файл - сервере.

Проведен анализ целесообразности размещения резерва в узлах ЛВС и

зализ эффективности различных стратегий резервирования.

В ЛВС резервирование демших многих пользователей также может существляться централизованно в файл - сервере, что обеспечивает их эступность для использования, сохранность и завдту , либо распредэленно, ричем в ЛВС имеется возможность использования для хранения резервных ассивов различию типы запомзшаодих устройств (гибкие диски, жесткие иски типа "винчестер" различной емкости, стриммеры и т-.д.)

Анализ каждой из схем и стратегий рвзеувйрлнаиия данных многих ользовятелей проведен с учетом динамики футедктиряяаыия и различных исциплин обработки запросов на использование резерва, а также с учетом опологии ЛВС (для топологий "звезда", "кольцо", "шина").

Полученные аналитические выражения для определения основных арактеристик предлокенных моделей сведены в таблицу N 1.

Приведем исходные данные и обозначения, используемые п таблице 1: надежность связи мевду 3 - и узлом и файл - сервером; (Х^) -ероятность успешной обработки запроса на использование резерва в файл -ерьаре; ?к ) - вероятность успешной обработки запроса на использована резерва в узле 1с; гкра - надежность связи между файл - сервером и : - ом узлом; гГок - надежность связи мзвду файл - сервером и к - ом злом; г^. -надегность связи мевду файл - сервером и узлом ^ реднее время передачи запроса от узла 3 к файл - серверу; 1;Ср Рцк -родное время передачи запроса от файл - сервера в узел к; Е(Х^) -родное время обработки-запроса в узле к; ^ гв. - сродное время ередачи запроса от файл-сервера в узел Ь^ кр< - среднее время вредачи запроса от узла к в файл - сервер; р. надежность связи

юзду (1-1) - ом и 1 - ым узлом; . - среднее время передачи

;апроса между соседними узлами кольцевой сети; . к - среднее время [ередачи запроса из узла 3 в узел к; Е ) - среднее время обработки ;апроса в узле 1 ;

Анализ результатов исследования эффективности использования шзличных стратегий резервирования показал, в частности, что топология пина" является наилучшей точки зрения вероятностных и временных :арактеристик ведения резерва, а совместное и распределенное ведение >езерва обеспечивает наибольшую вероятность успешного использования газерва, однако централизованное ведение реверва обеспечивает наименьшее Ф^мпнный затраты этого использования.

табл. 1

ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ ХРАНЕНИЕ РЕЗЕРВА

вариант ХАРАКТЕРИСТИКИ

1

= 2 4ср.зТв * ^в (*Рв>

II

^ -2 V0 - Ъ*

РАСПРЕДЕЛЕННОЕ ХРАНЕНИЕ РЕЗЕРВА

ТОПОЛОГИЯ ЗВЕЗДА

I Р3 = >1 гРз1с 3 \ [гкха ^ ф,К

ь3 " 2 + *ср.?Вк> (1 - + кЕ №

II ^ = 1 ~кП ' 11 - (1>В гРвк ' р1с (хк> <гЮ?в

^ » ш (гс^ ^ + + иж в^) ; в3(хл)

III ^ = 1 11 ' (Г3?8 ГУБк > Рк (Хк> (Гк?Е ^к1

^ - 2 + + *

ТОПОЛОГИЯ кольцо

I II

Р1 = Е ^ (х,) ук • п П (х )] п г

ТОПОЛОГИЯ ШИНА

I W + <1 W П, Фд к вA i«t

*t - гг 4сР.)к с >> + tH 'vv1 Î1 'cp-ii - + ]

II pi'.1 - [kn (1 -'»W^J V][jî (1 - - W rtj %>]

tj - шах {2tCÏMl + иах ^ (X, ); E (X > ; St^ ^ + i-j + n» ^(XJ; ^(X,) <|»Jb } t «j

III pj = 1 - [ьп (1 -^w vlL?.(1 - - гл w ^P]

t, = 1/2 [[2 Vi» + + (1 -,Pk<V> U t^ (M-^) +' ЕЕ (X ) «HJ]

[ист

ОДНОВРЕМЕННОЕ ХРАНЕНИЕ РЕЗЕРВА ЦЕНТРАЛИЗОВАННО И

_РАСПРВДЕЛЕННО._

__ТОПОЛОГИЯ ЗВЕЗДА_

ГА'Р А К Т К Р И С Г И К Г-

Pj WW rFa j + (1 - PFe(XFs)} [ J, IrJFS rFBk >

pk [rkPs W Ь*

г ->

II = *>В ?Га(ХГС> ^ + (1 - 11 ~ И " грЕк ) Рк (Хк) (гИв г?в>].) ф^]]

t = 1 + Чр.Гв^ + ^ ; Е^Х^ ф^}

III ^ Ррв^в5 + (1 - ру2(хуа>> [1 -"к?, С1"(1>3 Гувк} (хк> (ги,в

4. = >

Показано также, что с точки зрения вероятностных и временных характеристик наиболее эффективной является стратегия архивации, в которой в случае разрушения основного массива, его Еосстановливают из локально: архива, потом используются его копии, а в случае разрушения всех копий локального архива основной массив восстановливаэтся непосредственно из глобального архива.

Исследована эффективность использования различных схем структурно-технологического резервирования, суть которого состоит в том, что е большинстве случаев особенности решения функциональных задач пользователей позволяют выделить некоторую инвариантную множеству-запросов пользователей и комбинациям исходных данных определенную часть всей тех

нологии обработки данных в рамках каждой задачи, которую мокно выполнит заранее, создав при этом некоторый промежуточный массив и использоват

его при реализации любого запроса. Использование структурно

технологического резерва, таким образом, позволяет не только повысит

сохранность" данных в системе, но и значительно увеличить эффективное]

>->» функционирования за счет резкого снижения времени решения задг

гользевателей.

Предложена методика формирования структурно - техяологичес/то резерва. Предметная область пользователей ББД считается определенной, т.о. построон интегрировотшЯ граф канонической структуры РБД, в которой видоленн групповые и простые информационные элемента, упорядоченные по уропням иерархии.

Взаимодействии множества пользователей с ГБД представляется в вида ■ множества процедур обработки данных (запросов и корректировок).

Каждый запрос относится к определенному типу и ом.у соответствует пвоя структура выходного документа. Требуемая в рнмках запроса информация обрабатывается в соответствии о алгоритмом решения задачи конкретного пользователя, т.е. какдый запрос характеризуе' "¡я деревом выполнения.

Степень общности между запросами определяется методом последовательного получения и анализа попарных пересечений их информационных мнокеств. Количественная характеристика степени общности (мощности пересечения) определяется с использованием мары подобия.

Конечной целью применения методики является формирование промежуточного массива для выделенного подмножества запросов при различных комбинациях исходных дашшх.

В предположении, что известны характеристики основных и промежуточных массивов определены осиошие характеристики структурно -технологического резерва (вероятность успешного решения задачи, вероятность разрушения данных, среднее время решения задачи и т.д.). Доказаны ряд утверждений, определяющих условия эффективного использования структурно - технологического резерва.

В третей главе рассмотрены постановка и решение задач оптимальной организации дампирования и восстановления информации в ЛВС, использующей системную журпвшзвтю и диффэренциальнне массивы (ДМ).

Специфика функционирования указанных систем состоит в хранении определенного числа поколений дампов, создаваемых с заданной периодичностью, соответствующего количества архивных копий дифференциальных массивов, а также использовании задагшогс .числа резервных копий дампов и дифференциальных массивов.

С использованием разработанных вероятностной и временной моделей восстановления (однородного и неоднородного разностных уравнэяий с соответптвугаими граничннми условиями), приводятся расчет и анализ основных вероятностных и временных характеристик восстановления и обработки запросов с учетом возможности разрушения дэмгтои, системных журналов, дифференциальных и обрабатываемых информационных мзссиеое.

■ Использование ДО является эффективным средством повышения сохранности информационного обеспечения вычислителышх систем. Однако частая реорганизация БД в системах с такой организацией обработки отрицатально сказывается на их эффективности в связи с вынужденными прерываниями вычислительного процесса на дампирование основных массивов БД к затратами машинного времени на архивацию дифференциальных массивов. С другой стороны, увеличение периода реорганизации приводит к увеличению времени восстановления информации, увеличению времени доступа к БД, что недопустимо в системах реального времени. В связи с этим возникает необходимость выбора оптимального по заданному критерии эффективности периода реорганизации БЩ.

Кроме того, поскольку основные и да - резервируются идентичными копиями, возникает необходимость выбора оптимального числа их копий, а также оптимального числа хранящихся поколений основных и дифференциальных массивов.

В диссертационной работе поставлены и решены зада чи оптимизаци дакгкровагшя и восстановления информация по критерию минимума сродш эксплуатационных затрат.

Средние эксплуатационные затраты на функционирование систем резервирования - восстановления с использованием ДМ складываются и; затрат на дампирование БД и архивацию ДМ, стоимости резервных носителе: информации, средних затрат на обновление и использование БД (затрат н обработку и 'восстановление в указанном интервале времени), затрат н плановую реорганизацию БД, а также средних потерь в случае возмокног разрушения массива и его резерва.

Задача оптимизации по критерию минимума средних вксплуагационны затрат системы резервирования - восстановления с использованием Д • формулируется следующим образом:

Р(п, к, Т, у) = ^ (к + ПЧда ) zM + у ( к 7т + п 7Бд ) +

+ f [w w ^ + < 1 - робн.) zb] +

+ Vg I f(tHcn- (T) ^ + ( 1 - F (n, k, y)) ZB] +

í ' -+ T t(tpeop-cp. ^ + ZB (1 - f

до:г -- период реорганизации БД; у - число поколении дампов ВД; к -исло копий дампов БД; п - число копий ДМ; ив - потери, которые лесет истема в случае отказа; - интенсивность запросов на обновление БД; v2 - интенсивность запросов на использование БД; т - исследуемый период ремеш функционирования систэш; е,вд - стоимость носителя с основным вссивом БД; (занимаемой памяти); - стоимость носителя ДМ; г.А -тоимостъ единица времени ЭВМ; р0(5н - вероятность успешной обработки апроса на обноьление ; 1,о0н - время обработки запроса на обновление; ; (п.к.у) - вероятность успешной обработки запроса на использование; ■ исп ^ ~ среднее' время обработки запроса на использование; р(п,к,у) -¡эроятность успешной плановой реорганизации БД; *рЭОр ГТ) - среднее |рэмя реорганизации БД. Последние четыре величины функционально зависят 1Т вероятности успешного -восстановления и среднего времени ¡осстановления, о которых было сказано вине и которые являютя' функциями гериода реорганизации, числа поколении дампов, числа копий дампов и сифференциальных массивов.

В работе проведен анализ рассмотренного критерия и шроделон оптимальней период реорганизащм:

Т

опт.

ТБД + п V 4 - Р ]

Р Т^а 7чл

да: 7(п,к,у) = Ьреор.ср. + ^ [ 1 - р (п.к.у)]

Решение указанной задачи оптимизации, относгадиеся к классу частично - целочисленных задач математического программирования. Она сьвдена к задаче нелинейного целочисленного программирования меньшей размерности, цля решения которой предложены методы, реализующие схему ветвей и границ. Кроме приведенной задачи в работе проведен анализ системы резервирования - восстановления с использованием механизмов да, когда в одном цикле реорганизации ведется несколько многоэкземплярных копий.

В четвертой главе разработаны• методы формального описания функционирования РВД в зависимости от состояний ЛЕД системы. РВД представляется как совокупность ЛЦД, расположенных в узлах целочисленной решетки. Функционирование РБД моделируется двухмерных симметрическим случайным блужданием. Состояние ЛБД описывается распределением вероятностей (.м о-гкизои. ТТри заданном начальном состоянии ГОД и заданном

распределении вероятностей отказов каждой "ЛЕД модель макроскопического описания поведения РЕД в динамике позволяе1 определить среднее число, отказавших ЛЕД в произвольный момент времени.

Проведен анализ эффективности функционирования систе! детерминированной и случайной регистрации. Поставлены и решены задач анализа систем детердшофованной и случайной регистрации. Задачи синтез системы детерминированной регистрации сведены к моделям целочисленное нелинейного программирования, для решения которых предложен алгорит; основанный на схеме "ветвей и границ". Для анализа и синтеза систем случайной регистрации использован теоратико - игровой подход.

В приложении приведены материалы, подтвервдаодие практическое использование и внедрение полученных автором результатов.

Основные результаты диссертационной работа заключаются в следующем.

1. Выявляш особенности и показана целесообразность применения в ЛВ методов резервирования информационных массивов и программных модулей как эффективного способа повышения сохранности информационного программного обеспечения в АСУ, функционирующих на базе ЛВС.

2. Предложена единая методология для решения задач анализа к синтез систем резервирования» восстановления и регистрации информации в АСУ функционируюцщс на базе ЛВС. Проведен внализ и классификация факторо вызывавших нарушение физической сохранности данных. Выделены осношш стратегии резервирования, архивации и восстановления, а также известны в настоящее время механизмы обеспечения сохранности информации в файл сервере. Проведен анализ формализованных моделей, методов и критерие эффективности, используемых при решении задач выбора оптимальных методо сохранности модулей и массивов.

3. Предложены и исследованы основные стратегии резервировани информационных массивов и программных модулей в ЛВС, возможны дисциплины обработки запросов к резервируемым модулям и масеиьам, также основные варианты использования данных стратегий в ЛВС. Проведе анализ особенностей использования информационной избыточности в ЛВС Проведен анализ размещения резерва в 'узлах ЛВС. Показано, чт эффективность централизованного и децентрализованного хранения резерва сети определяется особенностями .ее структуры и функционирования Определены условия эффективного использования централизованного хранени резерва в ЛВС в зависимости от различных характеристик е функционирования.

4. Разработаны формализованные модели резервирования данных одного многих пользователей в ЛВС с учетом динамики и различных дисципли

>бработки запросов на использование резерва. Получены аналитические аыражения для расчета следующих характеристик стратегий резервирования: зероятность успешного использования резерва и время работа с резервом. Троведтг япализ эффективности использования стратегии оперативного резервирования по выделенным характеристикам. Предложена формализованные гадали различных стратегий архивации данных, в ЛВС и проведен анализ их эффективности.

5- Предложено использование нового типа избыточности в ЛВС, определенного как структурно- технологический резерв. Суть данного типа резерва состоит в том, что особенности решения задач пользователей в ЛВС позволяет выделить некоторую инвариантную множеству запросов пользователей и комбинациям исходных данных определенную часть всей технологии обработки данных в рамках каждой задачи, которую можно выполнить зараное, создав при атом некоторый промежуточный массив и' использовать эго при реализации любого запроса. Использование структурно технологического резерва, позволяет не только повысить сохранность данных в системе, но и значительно снизить время решения задач пользователей.

Предложены различные стратегии использования структурно технологического резерва и определены их основные характеристики. Предложена формализованная методология определения содержания структурно - технологического резерва. Доказаны ряд утверждений определяющих области наиболее эффективного использования различных стратегий использования структурно - технологического резерва. Поставлена и решена задача выбора оптимальной по критерию минимума совокупных затрат стратегии использования структурно - технологического резерва.

6. Разработаны формализованные модели процесса восстановления информационных массивов и методы расчета их вероятностных и временных характеристик, основанные на использование дифференциальных массивов. Указанные модели относятся к классу краевых задач и сведены к однородному и неоднородному разностным уравнениям с граничными условиями, для которых получены аналитические выражения. Решены задачи расчета основных характеристик восстановления информационных массивов без учйта резервирования • основных и дифференциальных массивов и длй обобщенного случая (с учетом их резервирования идентичными копиями). По-лучрнн аналитические выражения для расчета основных характеристик обработки запросов в резных режимах: вероятность успешной обработки запроса использования БД, вероятность успешного обновления БД, среднего время

доступа к ЭВМ при обработке запроса использования ЕД, среднего врш обновления БД, среднего время плановой реорганизации БД.

7. Получены аналитические выражения для определения средних эксплуатационных затрат на функционирование система резервирования-восстановления, Поставлена задача определения оптимального периода реорганизации, оптимального числа понолешй основных и диффереицивльщ массивов, а тэкже' оптимального числа резервных копий основных и дифференциальных массивов, минимизирующих средние затрата на функционировав! системы. Данная задача свэдена к задаче нелинейного целочисленного программирования, для решения которой предложен использовать мато.; реализующий схему ветвей и границ. Получены аналитические вирЕЖЗКип длг определения оптимального периода реорганизации.

Поставлена задача оперативного резервирования дифференциальных массивов с использованием метода многоэкземплярных копий. Полученн аналитические выражения расчета основных вероятностных, и временных характеристик данной стратегии резервирования. Для предложенного варианта определен оптимальный лериед реорганизации и оптимальное количество оперативных многоэкземплярных копий.

8. Предложены метода исследования поведения РБД на макроуровне зависимости от состояний ЛЕД. РБД при этом представляется кэ совокупность ЛБД, располоаданных в узлах~ целочисленной решетки Функционирование РБД моделируется двухмерным симметричным случайным блужданием. ' Состояние ЛБД описывается распределением вероятностей е отказов. При заданном начальном состоянии РБД и заданном распределении вероятностей отказов каждой ЛБД с использованием модели макроскопического описания поведения. ГТЩ в динамике определяется среднее чисд отказавших ЛБД в произвольный момент времени.

9. Исследованы особенности функционирования систем регистрации информации в ЛВС, Проведен анализ эффективности систем детерминирование и случайной регистрации.

Поставлены и решены' задачи синтеза системы детерминированной регистрации. Система детерлшированной регистрации представляется графо; .регистрации, который характеризуется топологией точек регистрации : множеством используемых методов регистрации и который определяется : результате преобразования графа технологии обработки в ЛВС в оптимальны: по некоторым критерию эффективности граф регистрации при наличии ряд ограничений. Задача введена к стандартному виду и для ее решени, прадлокен влгоритм, основанный на схеме "ветвей и границ".

Поставлена и решена задача синтеза системы случайной регистра-

;ии. 'Для анализа и синтеза системы случайной регистрации использован еоротико - игровой подход. При этом предполагается противополо. лость кн-ересов пользователя и администрации ЛВС. Это объясняется тем что, если истема случайной регистрации будет выполнять свои функции в условиях рямого конфликта, тем более эффективно она их будет выполнять в других словиях. Результатом решения задачи синтеза системы случайной регист-ации является определение моментов и продолжительности включения ее в аботу на каждый рабочий цикл. Показано также, что потери в ЛВС будут /левыми тогда и только тогда, когда осуществляется сплошная регистра-ия, либо отсутствуют помехи.

ю. Сформулирован и доказан ряд утверждений, уменьшающих размерность вычислительную сложность задач оптимального резервирования массивов и эдулей в ЛВС и позволяющих в некоторых случаях получить оптимальное . зшение данных задач.

11. Разработанные модели и методы определения и анализа основных зрактеристик стратегий резервирования модулой и массивов а ЛВС эализованы в виде комплекса программ, которые переданы в зеударственный фонд алгоритмов и программ (инв. w 5086С00Ш71} и <лючены в САПР "Модуль - 2".

12. Полученные в диссертационной работе практические результаты эзволили выработать рекомендации по практическому использованию эедложенных моделей и методов резервирования в ЛВС, которые пользовались при разработке распределенной информационной системы давления материальными ресурсами для Тульского региона АСУ "Тула -)таллобеспечение", АСУ ГО "Малдавиаолит" г. Тирасполь, АСУ ПО )лектроаппарат" г. Тбилиси, АНУС Чернобыльской зоны (Гомельский и мнений регионы).

Суммарный экономический эффект от внедрения полученных в гасертационной работе результатов составляет свыше 100 тыс. руб. в год. фект получен за счет снижения потерь информации в системах ¡работки данных на зо - 50 % , а также рационального использования иминного времени и памяти ПЭВМ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТИЛЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Характеристики дисциплин использования резервных информационных массивов в иерархической памяти. - В кн.: Метода разработки модульных систем обработки данных. - М.: ИГО". 1990, с. 50 - 53 / в

соавт.

'¿. Некоторые задачи резервирования информационных массивов в распределенных системах обработки данных. - В кн.: 6 - ая Всесоюзная школа по проектированию автоматизированных систем контроля и управления сложными объектами (Харьков - Туапсе, . 1990 г.) : Тезисы докладов. - Харьков.: ХИРЭ 1990, с.52 / в соавт.

3. Методы оптимального резервирования прикладного программного и информационного обеспечения в локальных вычислительных сетях. ~ В кн.: III Всесоюзное совещание по распределенным автоматизированным системам массового обслуживания (Москва, 1990 г.): Тез. докладов.

- М.: Ш1У, 1990, с. 42 - 44 / в соавт.

4. Резервирование и восстановление данных в ЛВС. - Сб. трудов. Модальные системы обработки данных в информационных системах быстрого реагирования. - М., Институт проблем управления, 1991, с. 41 -4G / в соавт.

5. Структурно - технологическое резервирование данных в системах функционирующих на йазе ЛВС. - В кн.: 4-ое всесоюзное совещание по распределенным вычислительным системам массового обслукивания (Душаабо, 1991 г.): Тез. докладов. - М.: ИЛУ, 1991, с. I5G - 167.

6. Разработка типовых логических структур распределенных баз данных для управления процессами сельскохозяйственного производства,

- В кн.: научно техническая конференция "Средства и систеи автоматизации управления процессами сельскохозяйственной производства" (Паланга, 1991); Тез. докл. М.: СНИО, 1991.-е. 17 - II / в соавт. •

7. Автоматизация решения задач резервирования к восстановления информации в вычислительных системах и сетях. - В кн.: Международная конференция под эгидой ШЕСКО. "Автоматизация проектирования систем управления" (Ереван, 1991): Тез. докладов: ЕПИ, 1Э91. с. 77 ■ 78 / в соавт.

8. On optimization oí saíety and recovery methods in computing Byutems. tno. book. Safety process"91"Itenational ocmieneno. Baden - Baden. ERO. 1991; p.80 J В COOBT.

9. Катоды резервирования и восстановления данных при функционировании

информационно - управляющих систем в условиях ЧС. - В кн.:Всесоюзна конференция "проблемы управления в условиях чрезвычайных ситуации (Звенигород, 1992 г.).: Тез. докл. - Ы.: ИПУ, IS92, с. 65 - 66 / соавт.

Личный вклад автора в совместные работ. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены втором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, личный клад автора состоит в следующем. :

В /1-4,6/ автором выявлены особенности и предложены методы эзервирования ГШ и ИМ в ЛВС. Рассмотрены основные варианты зполъзования стратегий резервирования и основной дисциплтш обработки апросов к резервируемым массивам и модулям. Разработаны формализованные эдели резервирования данных одного и многих пользователей. Показана {фективность использования стратегии архивации данных ЛВС. В '/7-9/ втором предложены формализованные модели и методы оптимальной рганизации дампирования и восстановления информации АСУ, ункционируодих на базе ЛВС.