Комплексное обеспечение надежности кластерных систем на основе математического моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Ермаков, Артем Александрович

• Ермаков, Артем Александрович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ермаков, Артем Александрович

1. Анализ рисков в корпоративных вычислительных сетях

1.1. Структура сетей связи и особенности их функционирования

1.2. Оценка влияния факторов, определяющих процесс передачи и распределения информации, на надежность функционирования сетей связи

Выводы по первой главе

2. Вопросы надежности аппаратного обеспечения

2.1. Методы контроля работы вычислительной системы

2.1.1. Использование аппаратного контроля

2.1.2. Использование программного контроля

2.2. Создание математических моделей кластеров

2.3. Выбор метода определения надежности сложных систем

2.4. Разработка математических моделей функционирования кластеров при расположении серверов и накопителей без чередования

2.4.1. Математическая модель при восстановлении повреждений одной бригадой

2.4.2. Математическая модель при восстановлении повреждений двумя бригадами

2.4.3. Математическая модель при восстановлении повреждений тремя бригадами

2.4.2. Математическая модель при восстановлении повреждений четырьмя бригадами

2.5. Разработка математических моделей функционирования кластеров при расположении серверов и накопителей с чередованием

Выводы по второй главе

3. Обзор существующих методов оценки надежности программного обеспечения

3.1. Основы анализа надежности программного обеспечения

3.2. Классическая модель надежности ПО

3.3. Отказоустойчивость программного обеспечения

3.4. Анализ существующих методов оценки надежности ПО как «черного ящика»

3.5. Обзор моделей роста надежности»

3.6. Использование ускоренного тестирования для малоактивных систем

3.7. Применение моделей роста надежности для ускоренное тестирование

Выводы по третьей главе

4. Разработка математической модели оценки надежности программного обеспечения на этапе тестирования

4.1. Исходные данные

4.2. Время тестирования

4.3. Надежность программного обеспечения

Выводы по четвертой главе

5. Комплексная оценка надежности исследуемой кластерной системы

5.1. Восстановление системы

5.2. Надёжность системы в целом

5.3. Результаты моделирования

Выводы по пятой главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексное обеспечение надежности кластерных систем на основе математического моделирования»

Происходящие в мире процессы развертывания глобальных сетей связи стали объективным фактором движения мирового сообщества к созданию глобального информационного общества. Фактически речь идет о развертывании очередной промышленной революции, получившей название «информационной». Международная интеграция информационных ресурсов и развитой инфраструктуры компьютерных сетей позволяет осуществлять взаимодействие любых пользователей для получения любого вида информации в реальном масштабе времени вне зависимости от расстояния и используемых средств вычислительной техники [38].Информационные технологии становятся одним из основных ресурсов развития ведущих стран мира в наступившем столетии. Впервые появляется возможность преодоления информационного неравенства как между отдельными странами, так и внутри стран. Особенно важно это для Российской Федерации, на обширной территории которой наряду с информационно развитыми городами и регионами имеются территории со слабой телекоммуникационной инфраструктурой (в первую очередь это касается сельских районов). Развитие цифровых информационных технологий и широкополосных беспроводных сетей передачи информации — один из перспективных путей решения этой проблемы.В начале 60-х годов академик А. А. Харкевич высказал гипотезу о том, что количество информации, которую надо собирать, обрабатывать и доставлять в нужное место, «растет по меньшей мере пропорционально квадрату промышленного потенциала». Анализ подтверждает, что в передовых в техническом отношении странах такой рост действительно имеет место примерно со степенью 1,7-2,0. Это приводит к существенному росту значимости деятельности, связанной с производством, передачей и переработкой информации.По данным ЮНЕСКО, в настоящее время более половины трудоспособного населения развитых стран прямо или косвенно принимает участие в процессе производства и распределения информации. Три ведущие отрасли информационного сектора общественного производства (вычислительная техника, промышленная электроника и связь) играют сейчас для этих стран ту же роль, которую на этапе их индустриализации играла тяжелая промышленность.Появление глобальной «сети сетей» Internet и растущее громадными темпами количество ее пользователей становится планетарным явлением, которое может привести даже к социальным изменениям.Другими словами, мировое сообщество приближается к такой степени зависимости своего существования от функционирования информационных сетей, которая сравнима с зависимостью от систем обеспечения электроэнергией. Это кроме очевидных достоинств имеет и обратную сторону. Отказ сети связи может иметь последствия, превосходящие последствия аварий энергосистемы. В связи с этим проблема оценки и обеспечения надежности сетей является актуальной.Надежность - это свойство объекта (системы), заключающееся в его способности выполнять заданные функции при определенных условиях эксплуатации. Количественно надежность характеризуется рядом показателей, состав и способ определения которых зависят от типа анализируемой системы.Целью настоящей диссертационной работы является построение методики комплексной оценки надеэ/сности корпоративных вычислительных сетей.Основные задачи диссертации: 1. Анализ основных угроз надежности вычислительных систем и существующих методов оценки надежности аппаратного и программного обеспечения.2. На основе анализа методов контроля вычислительных систем и особенностей использования кластерной технологии построить комплексную математическую модель надежности кластерной вычислительной системы.3. На основе анализа поведения программного обеспечения на различных этапах жизненного цикла построить комплексную математическую модель оценки надежности программного обеспечения на этапе тестирования и эксплуатации, показать границы ее применимости.4. На основе разработанных моделей построить комплексную математическую модель надежности кластерной вычислительной системы на протяжении жизненного цикла.5. Программная реализация построенных моделей.Основная часть диссертации состоит из 5 глав.В первой главе дан анализ существующих методик построения вычислительных сетей и описаны особенности их функционирования.Во второй главе построена математическая модель оценки надежности вычислительной системы, созданной по кластерной технологии.В третьей главе дан анализ существующих методик оценки надежности программного обеспечения.В четвертой главе построена математическая модель изменения надежности программного обеспечения во время тестирования, доказана адекватность данной модели на примере тестирования реально работающего программного комплекса.В пятой главе разработана комплексная модель оценки надежности вычислительной системы, созданной на основе кластерной технологии, показаны способы применения данной модели для анализа реально существующих систем.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Ермаков, Артем Александрович

7. Результаты работы внедрены в технологический процесс ООО «Транспортные системы связи» и использовались при выполнении международного научно-технического проекта «Создание и наполнение современного инструментария — межотраслевой Интернет-системы поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии и разработка с ее использованием новых конкурентоспособных принципов действия преобразователей энергии», что подтверждено соответствующими актами. Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе ГОУ ВПО МГТУ «Станкин» при преподавании дисциплины «Надежность информационных систем».

Результаты данной работы могут быть использованы не только при проектировании высокопроизводительных отказоустойчивых ЛВС, но и, шире, при проектировании и анализе работы любой системы обмена данными, построенной на базе технологии FDDI, например, при проектировании связей между базовыми станциями и коммутаторами предприятий мобильной связи.

Заключение

В результате проведенной работы были получены следующие результаты:

1. В результате выполнения данной диссертационной работы решена задача, имеющая важное значение, а именно: на основе разработанных моделей надежности аппаратного и программного обеспечения создана комплексная математическая модель надежности кластерной вычислительной системы.

2. Проведен анализ основных угроз надежности вычислительных систем, что позволило выделить особенности каждого вида угроз и оценить их влияние на работу системы.

3. Построена математическая модель оценки надежности аппаратного обеспечения оригинальной кластерной вычислительной системы, особенностью которой является возможность прогнозирования влияния на работу системы изменения ряда параметров.

4. Построена математическая модель оценки надежности программного обеспечения на этапе тестирования, доказана ее адекватность, приведен пример ее использования на конкретном программном комплексе и ее связь с бизнес-процессами организации-разработчика.

5. На основе построенных моделей, разработана программная среда для комплексной оценки надежности кластерной вычислительной системы.

6. На основе результатов реального программного эксперимента определены границы применимости разработанных моделей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ермаков, Артем Александрович, 2008 год

1. Шварц М. Сети ЭВМ. Анализ и проектирование. Пер. с англ./Под ред. В.А. Жожикашвили. -М.: Радио и связь, 1981.-336 с.

2. Прангишвили И.В. Микропроцессоры и локальные сети микро-ЭВМ в распределенных системах управления.-М.: Энергоатомиздат, 1985.-272с., ил.

3. Климанов В.П. Методология анализа вероятностно-временных характеристик ЛВС составных топологий на основе аналитического моделирования. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. МЭИ.-М.: 1992.-388., ил.

4. Klein.M., Hipper G., Tavangarian D. Parallel Computing in Workstation Clusters using Concurrent Network Architecture. Proc. Int. Conf. intelligent Information Management Systems, Washington. D.C., 1994.

5. H. Alexeeva, G. Hipper, H. Unger, D. Tavangarian: (University Of Rostock,Fachbereich Informatik). W.P. Klimanow ( Moscow Power Ingineering Institute). "Stochastic Perfomance Evaluation of Concurrent Network Workstation Cluster Architectures".

6. Климанов В.П., Демин K.B. Многоканальная локальная сеть обмена данными «Трехмерная квадратная решетка» и ее аналитическая модель. Доклады международной конференции «Информационные средства и технологии». Том 1. —М.,1997.с.84-91.

7. Klimanov V., Diomin К. Multichannel Local Network "Three-Dimensional Lattice" And Its Analytical Model. В кн. 4*. p.84-91.

8. Богуславский Л.Б., Дрожжинов В.И. Основы построения вычислительных сетей для автоматизированных систем. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 256 е., ил.

9. Нанс Б. Программирование в локальных сетях: Пер. с англ. Под ред. В.М.Беленковича.-Пермь: Изд-во Перм.Ун-та., 1992. — 756 с.

10. Захаров Г.П. Методы исследования сетей передачи данных. М.:Радио и связь, 1982.-208 с.

11. Альянах И.Н. Моделирование вычислительных систем. — Л.Машиностроение, 1988. 224 с.

12. Феррари А. Оценка производительности вычислительных систем. — М.: Мир. 1981.-576 с.

13. Бусуленко Н.П. Моделирование сложных систем. — М.: Наука, 1978.-400 с.

14. Рыбинцев В.О. Разработка декомпозиционного метода расчета характеристик эффективности функционирования диалоговых ЛВС. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук МЭИ.-М.: 1985

15. Чжан С. Анализ, разработка и реализация в виде экспертной системы средств выбора структуры локальных вычислительных сетей. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. МЭИ.-М: 1993

16. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем: искусство и наука. -М.: Наука, 1978.-400 с.

17. Coyle Е.,Liu D. Amstrix representation of CSMA/CD networks/IEEE Transact. On Commun. 1985.-Vol. COM - 33, N1, - p. 63-64.

18. Колосков M.C. Время доставки пакета и пропускная способность локальной вычислительной сети. -1990. с. 53-59.

19. Buerman S.L., Coyle Е. The delay characteristics of CSMA/CD networks/ЛЕЕЕ Transact on Commun. -1988. Vol. COM 36, N5, -p. 553563.

20. Гершуни Д.С., Касрашвили И.С. Исследование характеристик одного алгоритма конфигурирования локальной вычислительной сети жесткого реального времени. -Вычислительная техника в управлении. М.:1992.

21. Башарин Г.П., Богуславский Л.Б., Самуйлов К.Е. О методах расчета пропускной способности сетей связи ЭВМ. в кн.: Итоги науки и техники. Электросвязь. ВИНИТИ, - 1983, - т.13, с. 36-102.

22. Митрофанов Ю.И., Беляков В.Г., Курбангулов В.Х. Методы и программные средства аналитического моделирования сетевых систем. М.: АН СССР, 1083,- с.68.

23. Орлов В.А., Бондарев В.Н., Соловьев В.П. и др. Система моделирования GPSS/PC на ПЭВМ. И.: 1990

24. Хомичков И.И. Расчет характеристик модели ЛВС с 1-настойчивостью протоколом CSMA/CD. В кн. 2* , ч.1,с 260-265.

25. Климанов В.П. Анализ вероятностно-временных характеристик многоканальной локальной вычислительной сети матричного типа. В кн. 2*,ч.1,с. 208-204.

26. Климанов В.П. Математическая модель распределения нагрузки в многоканальной локальной вычислительной сети матричного типа. В кн. 1*, 4.1, с. 216-220.

27. Рыбинцев В.О. Оценка среднего времени доставки файла в ЛВС со случайным доступом. В кн. 2*, ч.1, с. 234-242.

28. Рыбинцев В.О. Аналитическая модель ЛВС со случайным доступом на подуровне управления средой передачи данных. В кн. 1*, ч,1,с. 257-262.

29. Жожикашвили В.А., Вишневский В.М. Сети массового обслуживания . Теория и применение к сетям ЭВМ. — М.: Радио и связь, 1988, с. 192: ил.

30. Абросимов Л.И. Расчет характеристик вычислительных систем сложной конфигурации с помощью контуров. Известия АН СССР, Техническая кибернетика, 1983, №2, с. 56-61.

31. Абросимов Л.И., Краюшкии В.А. Определение функциональных характеристик локальных вычислительных сетей с методом доступа CSMA/CD. Сб.Научных Трудов №195. -М.: МЭИ, 1989, с. 88-92.

32. Бутрименко А.В. Разработка и эксплуатация сетей ЭВМ. — М.: Финансы и статистика, 1981, с.256.

33. Абросимов Л.И., Краюшкин В.А. Метод анализа ЛВС сложной структуры. В кн. 3*, 4.1, с. 93-96.

34. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М Наука, 1977, с. 240.

35. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979.- с. 600, ил.

36. Рыбенцев В.О., Дмитриев В.И.Оценка эффективности функционирования диалоговых вычислительных систем методом полной декомпозиции. — Межвед. Сб.№42, МЭИ, 1984

37. Вишневский В.М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. -М.: Техносфера, 2003.- с.512.

38. Климанов В.П. Разработка математических моделей и анализ эффективности вычислительных систем. М.: издательство МЭИ, 1992.

39. В.П. Климанов, М.В. Сутягин, В.А. Быстрикова Задачи катастрофоустойчивости кластерных вычислительных систем. Новости искусственного интеллекта. 2002 г.43. www.cboss.ru44. www.msdn.com45. www.encarta.msn.com46. www.borland.com47. www.unix.org.ua

40. Michael R. Lyu. "The need for reliable software", AT&T Bell Laboratories

41. Ricky W. Butler and George B. Finelli, "The Infeasibility of Quantifying the Reliability of Life-Critical Real-Time Software", NASA Research Center, 1993.

42. D. Miller, "Making statistical inferences about software reliability", NASA Contractor Report 4197, Nov. 1988.

43. P. A. Keiller and D. R. Miller, "On the use and the performance of software reliability growth models", Reliability Engineering and System Safety, pp. 95117, 1991.

44. В. Тоценко. «Проблемы надежности сетей». Компьютерра, №14, 1998 г.

45. J. Newman и D. Willis. «ISDN Connectivity», www.networkcomputing.com

46. А. Александров. «Обеспечение устойчивости функционирования корпоративных сетей». Компьютерра, №14, 1998 г.

47. Е. Aboelela и С. Douligeris «Fuzzy optimization model for routing in B-ISDN», University of Miamy.

48. P. A. Keiller and D. R. Miller, "On the use and the performance of software reliability growth models," Reliability Engineering and System Safety, pp. 95117, 1991.

49. Z. Wang и J. Crowcroft. «Quality-of-service routing for supporting multimedia applications». IEEE Journal on selected areas in communications, т. 14, №7, сентябрь 1996 г.

50. W.C. Lee, M.G. Hluchyi и P.A. Humblet. «Routing subject to quality of service constraints in integrated communication networks». IEEE Network, t.9, №4, июль/август 1995 г.

51. R. Vogel, R.G. Herrtwich, W. Kalfa, H. Witting и L.C. Wolf. «QoS-based routing of multimedia streams in computer networks». IEEE Journal on selected areas in communications, т. 14, №7, сентябрь 1996 г.

52. В. Gavish и I. Neuman. «А system for routing and capacity assignment in computer communication networks». IEEE Transactions on communications, т. 37, №4, апрель 1989 г.

53. Шельгов В.И. Катастрофоустойчивые корпоративные информационные системы. Сети и системы связи № 13(77), 30 ноября 2001 г. С. 20-22.

54. Липаев В.В., Колин К.К., Серебровский А.А. Математическое обеспечение управляющих ЦВМ. — М.: Сов. Радио, 1972. — 528 с.

55. Григелионис Б.И. Предельные теоремы для сумм процессов восстановления. Кибернетику — на службу коммунизму. — Т.2 .— М.: Энергия, 1964. С. 87-93.

56. Сакелларидис С. Архитектура систем высокой отказоустойчивости. Windows & .NET Magazine/RE. http://www.osp.ru/win2000/worknt/31 nt09.htm.

57. Фатуев В.А. Надежность автоматизированных информационных систем: Учеб. пособие /Фатуев В.А., Высоцкий В.И., Бушинский В.И. -Тула, 1998. 103 е.: ил.

58. Материалы web-сайта компании «Открытые технологии», http://www.ot.ru.

59. Материалы web-сайта компании Computel, http://www.computel.ru/solutions/clusters/clusters.htm.

60. Кунтыш А.О. Еще раз о кластерах. Компьютер-Информ, №12(105), 2001 г., http://www.ci.ru/inform 12 0l/p089cl.htm.

61. Климанов В.П. Разработка математических моделей и анализ эффективности вычислительных систем: Учебное пособие по курсу:

62. Методы анализа вычислительных систем». Москва: «МЭИ», 1992. -108с.

63. Сутягин М.В. «Обеспечение надежности автоматизированных информационных систем на основе сетевой кластеризации серверов». — Москва, МГТУ «Станкин», 2004 186 стр.

64. В. Littlewood, "Predicting software reliability," Philosophical Transactions of the Royal Society (London), pp. 513-526, 1989.

65. P. M. Nagel and J. A. Skrivan, "Software reliability: Repetitive run experimentation and modeling," NASA Contractor Report 165836, Feb. 1982.

66. Климанов В.П., Сутягин M.B., Родионов А.Э., Ермаков А.А. "Модели оценки надежности кластерной системы специального назначения". Электронный журнал «Вычислительные сети. Теория и практика.» Москва, 2003.

67. Ермаков А.А. «Модель оценки эффективности тестирования программного обеспечения». Журнал «Экономика и производство», №1, 2008, стр. 39-42

68. Климанов В.П., Ермаков А.А. «Комплексная оценка надежности сетевого кластера». Журнал «Известия ОрелГТУ», №1-4/269, 2008 г., т.З, стр. 201207.

69. Klimanov V.P., Yermakov А.А. "Complex network cluster reliability evolution". Third International Conference on Dependability of Computer Systems DepCoS-RELCOMEX 2008.