Оценка параметров надежности кластерной системы: построение структурной схемы модели | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Информатика

Опубликовано в Молодой учёный №5 (5) май 2009 г.

Статья просмотрена: 109 раз

Библиографическое описание:

Миронова Е. С. Оценка параметров надежности кластерной системы: построение структурной схемы модели // Молодой ученый. — 2009. — №5. — С. 5-7. — URL https://moluch.ru/archive/5/391/ (дата обращения: 17.08.2018).

Проблема исследования процессов функционирования систем, мгновенно изменяющих свое состояние под воздействием внешних и внутренних событий, является достаточно актуальной. К таким системам, в частности, относятся кластерные вычислительные системы и все суперкомпьютеры, экономические системы, системы передачи информации по сетям связи и многие другие.

Актуальность темы возрастает в наши дни благодаря стечению двух обстоятельств. Во-первых, технологические пределы использующейся сейчас кремниевой технологии производства процессоров уже не за горами, предупреждают специалисты. Ни одна фирма не обещает в ближайшие 10 лет выпуска процессоров с тактовой частотой в сотни или тысячи гигагерц. Предлагаемые научные идеи далеки пока что от коммерческих перспектив разработки. Во-вторых, возрастают объемы обрабатываемой информации и по мере развития компьютерной техники и интеграции ее в бизнес-процесс предприятий проблема увеличения времени, в течение которого доступны вычислительные ресурсы, становится все более актуальной. Причиной повышения спроса на решения высокой надежности, является постоянное увеличение стоимости поломок и простоя оборудования. Эта стоимость складывается из ряда факторов: стоимость потерянной информации, потеря прибыли, неудовлетворенность клиентов, стоимость технической поддержки и восстановления, и т. д. Одним из наиболее распространенных подходов к разрешению этого противоречия является использование кластеров.

Кластер - это программно-аппаратный комплекс, состоящий из нескольких связанных между собой компьютеров, который используется и управляется как единая система.

Пользователи при обращении "видят" кластер как один большой сервер, на котором работает множество приложений, и предоставляются сетевые службы, хотя в действительности все это функционирует на различных компьютерах кластера называемых узлами. При отказе программного или аппаратного компонента узла его сервисы и приложения, по указанным правилам, автоматически перераспределяются между другими узлами, и кластер продолжает предоставлять эти ресурсы пользователям. При восстановлении работоспособности отказавшего узла его приложения и сервисы могут быть перенесены обратно.

Важной задачей является оценка надежности кластеров. Процесс исследования таких систем начинается с создания математической модели. Если целью исследования являются временные характеристики работы системы, то в качестве математической модели часто выбирается модель в виде системы или сети массового обслуживания. В терминах сетей массового обслуживания описываются многие реальные системы: вычислительные системы, узлы сетей связи, системы посадки самолетов, магазины, производственные участки – любые системы, где возможны очереди и отказы в обслуживании.

Универсальным методом исследования сетей массового обслуживания является имитационное моделирование, т. е. написание компьютерной программы, имитирующей процесс функционирования системы, и проведение экспериментов на этой программе с целью получения статистических оценок характеристик моделируемой системы. Основным преимуществом имитационного моделирования по сравнению с аналитическим является возможность решения более сложных задач. Имитационные модели позволяют учитывать такие факторы, как нелинейные характеристики элементов системы, многочисленные случайные воздействия и другие, которые часто создают трудности при аналитических исследованиях. Используя результаты имитационного моделирования, можно описать поведение системы, оценить влияние различных параметров системы на ее характеристики, выявить преимущества и недостатки предлагаемых изменений, прогнозировать поведение системы.

Построение имитационных моделей больших систем и проведение машинных экспериментов с этими моделями представляют собой достаточно трудоемкий процесс. Использование существующих языков моделирования позволяет преодолеть лишь часть трудностей, требует от пользователей специальных знаний и навыков. Эффективный способ снижения трудоемкости при увеличении сложности моделируемых систем – автоматизация процедур, охватывающих построение и реализацию моделей.

Отличительной  особенностью  кластера  является  параллельное  участие  в  вычислительном  процессе  большого  количества  вычислительных средств. Исключение из вычислительного процесса одного или нескольких вычислительных средств не препятствует продолжению  использования  кластера  по  назначению,  а  лишь  снижает его потенциальную производительность. Эффективность использования объекта  (в т.ч. и кластера) по назначению – важное эксплуатационное  свойство  объекта.  Очевидно,  чем  реже  объект  вынужден  исключаться из производительной работы и чем меньше ущерб от вынужденного простоя, тем выше эффективность его использования.

Отказоустойчивость  –  это  свойство  объекта  сохранять  возможность использования его по назначению при возникновении в нем в процессе работы отказов составных частей (СЧ).

Предлагается различать следующие последствия отказов составных частей кластера:

−  вычислительный  процесс  при  отказе  составной части  кластера  не прервался – такое положение считается как отказоустойчивость первого вида;

−  вычислительный  процесс  при  отказе  составной части  кластера  прервался для реконфигурации системы и затем, без процедуры восстановления  отказавшей составной части  кластера,  продолжился  с места  его  прерывания с незначительным повтором части вычислений – такое положение считается как отказоустойчивость второго вида;

−  вычислительный  процесс  при  отказе  составной части  кластера  прервался для реконфигурации системы и затем, без процедуры восстановления отказавшей составной части  кластера,  стало  возможным  выполнение задания лишь сначала – такое положение считается как отказоустойчивость третьего вида.

Наиболее естественной качественной характеристикой свойства отказоустойчивости  кластера  является перечень составных частей  кластера, к отказам которых он должен быть устойчив. Задание качественных характеристик отказоустойчивости не позволяет сравнивать различные модели кластера по этим свойствам и не учитывает реальные возможности обеспечения отказоустойчивости. 

Для восстанавливаемых объектов, в том числе и кластера, накопление более одного  отказа  в составных частях имеет очень малую  вероятность.

Поэтому предлагается оценивать устойчивость кластера только к одному отказу в любой его составной части. Для вывода показателей устойчивости кластера к одному отказу в любой его составной части рассматривалась следующая модель кластера: 

−  кластер  состоит из  n функционально  необходимых составных частей;

отказы  составных частей  –  события  независимые;  каждая  составная часть  характеризуется  простейшим потоком отказов с известным параметром;

−  отказ любой составной части  кластера, в случае отсутствия избыточности для неё, приводит к отказу кластера в целом; 

−  при отказе составной части кластера вводится избыточность, которая с определенной вероятностью успешно компенсирует отказ составной части (обеспечивает безотказное функционирование кластера).

 

Структурная схема надежности кластера

Сложный объект (к числу которых следует отнести и кластер) состоит из большого числа СЧ, которые могут находиться во множестве состояний, и тем самым увеличивать число состояний объекта в целом, до размеров, которые плохо поддаются математическому описанию. С  целью  упрощения математического  описания  объекта  производится  его декомпозиция на  составные части  (элементы). Декомпозиция объекта  на  элементы  производится  таким  образом,  чтобы можно  было по  показателям  надежности  элементов  вычислить  показатели  надежности объекта в целом. В качестве элементов декомпозиции объекта выбираются составные объекта, отказы которых независимы друг от друга.

Из  элементов  декомпозиции  объекта  строится  структурная  схема надежности  объекта,  которая  является  логико-вероятностной  схемой расчета безотказности объекта. Последовательное соединение элементов означает  логическое И,  а  параллельное  соединение  элементов  означает логическое ИЛИ. Структурная схема надежности наглядно представляет взаимосвязь  показателей  надежности  объекта  с  показателями  надежности элементов.

Установлено,  что  декомпозицию  кластера  следует  начинать с оценки влияния отказов составных частей кластера на основной показатель надежности (ПН). С этой  целью  все  составные части  кластера  целесообразно  разделить  на  три группы.  К  группе  1  следует  отнести  составные части,  отказы  которых  приводят  к снижению производительности кластера до нуля или до уровня ниже допустимого. К группе 2 следует отнести составные части, отказы которых приводят к снижению производительности кластера в пределах допустимого  уровня. К  группе  3  следует  отнести составные части,  отказы  которых  не влияют на производительность кластера.

В качестве составных частей кластера, отказ которых влияет на производительность  кластера,  рекомендуется  использовать  технические  средства  (ТС),  а  иногда  и  функциональные  части  ТС.  Например, коммутаторы следует разделять на две части: общую часть всех портов и отдельные порты коммутатора. Такое деление определяется тем, что при отказе  общей  части  коммутатора  недоступными  программному обеспечению (ПО)  кластера станут  все  изделия,  подключенные  к  его  портам,  а  при  отказе  порта коммутатора  недоступным  программному обеспечению  кластера  окажется  лишь  изделие,  подключенное  к  этому  порту. Порт  коммутатора  и  кабель,  связывающий его с изделием, следует включить в это изделие при оценке его надежности. Например,  при  оценке  надежности вычислительных узлов  кроме  надежности вычислительного устройства следует учесть надежность портов коммутаторов вспомогательной и системной сетей, соответствующих им адаптеров и кабелей, соединяющих порты с адаптерами.

Назовем совокупность составных частей  группы 1 ядром кластерной системы, а совокупность составных частей группы 2 совокупностью вычислительных средств (СВС). При принятых обозначениях, наиболее обобщенная структурная схема надежности кластера примет вид, приведенный на рис. 1.

Рис. 1 Обобщенная структурная схема надежности кластера

В СВС включают совокупность вычислительных узлов и возможно общие части коммутаторов вспомогательной и системной сетей. Коммутаторы  включают  в СВС  только  в  том  случае,  если  допустимое  число недоступных ПО  кластера  ВУ  больше  числа  ВУ,  подключенных к данному коммутатору. Исключением является корневой коммутатор вспомогательной сети, ибо при его отказе недоступными станут все ВУ.  Остальные  составные части  кластера,  отказы  которых  влияют  на  его производительность,  относят  к  ядру  кластера.  Следует  заметить, что не всегда однозначно назначение ТС кластера в состав ядра КВС. Так, например, для привилегированного пользователя кластера отказ файл-сервера не приведет к отказу КВС и его следует отнести к вспомогательному  оборудованию.  В  то  время  как  для  непривилегированного пользователя отказ файл-сервера лишит их доступа к КВС и в этом случае файл-сервер следует отнести к ядру КВС.

После рекурсивного проведения декомпозиции узлов кластерной системы, получаем схему, пригодную для построения имитационной модели и проведения анализа параметров надежности  кластерной системы.

Литература

1.                  Воеводин Вл.В., Жуматий С.А. Вычислительное дело и кластерные системы. – М.: Изд-во МГУ, 2007. - 150 с.

2.                  Лаврищева Е.М., Коротун Т.М Построение процесса тестирования программных систем // Проблемы программирования. – 2002. – № 1–2. – С. 272–281

3.                   Модели оценки надежности кластерной системы специального назначения [Электронный ресурс]. – В.П. Климанов, М.В. Сутягин, А.Э. Родионов и др. // Вычислительные системы. Теория и практика. – 2003. – №1. – Режим доступа: http://network-journal.mpei.ac.ru/cgi-bin/main.pl?l=ru&n=3&pa=11&ar=1

Основные термины (генерируются автоматически): кластер, отказ, кластерная система, система, часть, имитационное моделирование, массовое обслуживание, Обобщенная структурная схема, математическая модель, программное обеспечение.


Похожие статьи

Применение принципа объектного моделирования для...

Такой класс систем относится к системам массового обслуживания (СМО). В статье представлено применение принципа объектного моделирования для построения имитационного алгоритма системы обслуживания заявок с мобильными сотрудниками.

Ключевые аспекты имитационного моделирования сложных...

Имитационное моделирование сложных систем является частным случаем математического моделирования. Известны классы объектов, аналитические модели по которым не созданы, либо по таким классам не созданы методы решения исходной модели.

Сравнительный анализ программного обеспечения систем...

Выполнение диагностики кластерной системы программными средствами является неотъемлемой частью ее технического обслуживания

Одним из таких программных средств является система мониторинга физических параметров компонентов кластерной системы.

Кластерный анализ разработки современных алгоритмов...

Для кластеризации поискаможно использовать следующее программное обеспечение

Кроме планирования, моделирования и расчетов, кластерный анализ применяется при

Кластерный подход в создании модели социального партнерства современной сельской школы.

Перспективы разработки программного обеспечения для...

Создана функциональная модель реализации визуализации сложной системы.

Программа MSExcel позволяет представить, как схему системы, так и её описание, но ни

Сравнительный анализ программного обеспечения систем мониторинга кластерных вычислительных систем.

Метод структурного и параметрического синтеза и анализа...

В результате формируется математическая модель исследуемой схемы установки, например, модель энергетической

Структурный синтез и анализ. Детализируется структурная схема модели.

Ахмедзянов Д.А., Кривошеев И.А., Кишалов А.Е. / Имитационное моделирование...

Разработка алгоритмического и программного обеспечения...

4. Выбор используемого аппаратного обеспечения: модель нейропроцессора или модель эмулятора.

— C. 177- 182. 10. Романчук В. А. Инновационный программный комплекс моделирования вычислительных систем на базе нейропроцессоров «НейроКС»...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Применение принципа объектного моделирования для...

Такой класс систем относится к системам массового обслуживания (СМО). В статье представлено применение принципа объектного моделирования для построения имитационного алгоритма системы обслуживания заявок с мобильными сотрудниками.

Ключевые аспекты имитационного моделирования сложных...

Имитационное моделирование сложных систем является частным случаем математического моделирования. Известны классы объектов, аналитические модели по которым не созданы, либо по таким классам не созданы методы решения исходной модели.

Сравнительный анализ программного обеспечения систем...

Выполнение диагностики кластерной системы программными средствами является неотъемлемой частью ее технического обслуживания

Одним из таких программных средств является система мониторинга физических параметров компонентов кластерной системы.

Кластерный анализ разработки современных алгоритмов...

Для кластеризации поискаможно использовать следующее программное обеспечение

Кроме планирования, моделирования и расчетов, кластерный анализ применяется при

Кластерный подход в создании модели социального партнерства современной сельской школы.

Перспективы разработки программного обеспечения для...

Создана функциональная модель реализации визуализации сложной системы.

Программа MSExcel позволяет представить, как схему системы, так и её описание, но ни

Сравнительный анализ программного обеспечения систем мониторинга кластерных вычислительных систем.

Метод структурного и параметрического синтеза и анализа...

В результате формируется математическая модель исследуемой схемы установки, например, модель энергетической

Структурный синтез и анализ. Детализируется структурная схема модели.

Ахмедзянов Д.А., Кривошеев И.А., Кишалов А.Е. / Имитационное моделирование...

Разработка алгоритмического и программного обеспечения...

4. Выбор используемого аппаратного обеспечения: модель нейропроцессора или модель эмулятора.

— C. 177- 182. 10. Романчук В. А. Инновационный программный комплекс моделирования вычислительных систем на базе нейропроцессоров «НейроКС»...

Задать вопрос