Особенности построения распределенных информационно-вычислительных сетей с учетом требований обеспечения их живучести Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

лесникова в плавильном цеху № 1 плавильного участка № 2 обеднитлье-ной печи № 1.

Список литературы:

1. Бискуб К.Н., Писарев А.И. Математическая модель охлаждения технологических газов плавильных электропечей // Научно-технические ведомости СПб ГПУ. Сер. 6. Информатика, телекоммуникации, управление. -2010. - Вып. 6 (113). - С. 81-86.

2. Зайцев Г.Ф. Теория автоматического управления и регулирования. -2-е изд., перераб. и доп. - К.: Выш. шк., 1989.

3. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2011610292, зарегистрированной в Реестре программ для ЭВМ 12.10.2010. Прогнозирующая система управления процессом охлаждения технологических газов плавильной электропечи (версия 2.0) / К.Н. Бискуб.

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИХ ЖИВУЧЕСТИ

© Бужлаков С.Н.*

Военная академия войсковой противовоздушной обороны Вооруженных Сил Российской Федерации им. Маршала Советского Союза А.М. Василевского, г. Смоленск

Рассмотрены основные особенности построения распределенных информационно-вычислительных сетей с учетом требований по живучести, рассмотрены основные дестабилизирующие факторы, сделан вывод о необходимости дальнейшего развития метода динамической реконфигурации, реализуемым, как программно, так и аппаратно.

Понятие живучести известно в технике давно и практически используется при создании технических систем различного назначения. Например, в [1] приведено следующее определение: живучесть - свойство, характеризующее способность системы эффективно функционировать при получении повреждений (разрушений) или восстанавливать данную способность в течение заданного времени.

Применительно к автоматизированным системам (АС), живучесть есть свойство АС, харакетризуемое способностью выполнять установленный

* Адъюнкт кафедры Автоматизированных систем боевого управления.

объем функций в условиях воздействия внешней среды и отказов компонентов системы в заданных пределах [2].

В последние годы наблюдается значительное повышение интереса к этой характеристике как в теоретическом, так и в практическом отношении. Это можно объяснить, по-видимому, следующими обстоятельствами. Во-первых, возрастание масштабов и стоимости систем приводит к значительному росту ущербов от длительного отключения даже части системы, увеличению доли технологически связанных нарушений работоспособности, а следовательно, масштабов «поражения» системы. Во-вторых, в больших системах возрастает сложность и трудоемкость восстановительных операций. Поэтому стремление к уменьшению размеров «поражения» системы одновременно является стремлением к созданию более благоприятных условий для восстановления требуемого уровня функционирования. В-третьих, вследствие развитых связей между различными системами и подсистемами по различным каналам (по информационным каналам, по материальным и энергетическим потокам) значительную роль могут играть вторичные последствия нарушений работоспособности элементов системы. Ущерб от вторичных последствий может оказаться неизмеримо выше, чем от первичных последствий, вплоть до полного прекращения функционирования или гибели системы. Поэтому возникает проблема устранения или ограничения вторичных последствий. Наконец, существует проблема быстрого и оптимального включения сохранившихся в системе ресурсов в интересах выполнения жизненно важных функций системы после сильного на нее воздействия. Ясно, что решение этой проблемы требует от системы новых качеств, которыми она может и не располагать, если спроектирована для работы только в нормальных условиях эксплуатации, что требует поиска путей обеспечения живучести.

Основными дестабилизирующими факторами для сетей выступают ненадежность отдельных элементов и подсистем (ЭВМ, средств обеспечения доступа, каналов), помехи в каналах связи ЭВМ (динамическое изменение объема ресурсов, требуемых для обработки). При небольших колебаниях этих факторов компенсация их возможна за счет применения адаптивных механизмов, например, адаптация протокола нижнего уровня к состоянию канала связи между двумя узлами, или адаптация дисциплины распределения вычислительных средств сети к их загрузке.

Если превышаются адаптационные возможности соответствующих подсистем, дальнейшее функционирование сети либо прекращается, либо может быть продолжено за счет применения специальных методов и средств повышения живучести: логической и структурной реконфигурации, перераспределения нагрузки на отдельных участках сети, восстановления информации и возобновления обработки, изменения состава решаемых задач (выполняемых функций) в соответствии с их приоритетом в системе (сети).

Рассматривая, в простейшем случае, распределенную вычислительную сеть как совокупность машин и линий связи между ними, можно определить необходимость реагирования на два типа отказов: отказы линий связи и отказы ЭВМ (их компонентов). На разных уровнях организации сети вводятся избыточные средства (дублирование) и тем самым повышается надежность и структурная живучесть сети. Для обеспечения функциональной живучести сети необходимо обеспечить рациональное использование всех, в том числе и не избыточных ресурсов для выполнения целевой функции (группы функций) сети, то есть, помимо чисто физической основы для вычислений необходимо обеспечить существование виртуальной структуры, реализующей целевую функцию (например, необходима связность определенного числа узлов сети).

Проектируемая сеть обычно ориентируется на выполнение некоторого множества основных функций Е = {Е^ на распределенном множестве ресурсов Р, объединяемых системой связи 5". Будем предполагать, что функции Е не закреплены постоянно за ресурсами Р, могут перераспределяться в процессе выполнения то на один ресурс, то на другой, допускают прерывания. Выполнение функций Е состоит во временном образовании программно-аппаратной подсистемы Я{Р, 5}.

В некоторых случаях алгоритм функционирования требует, чтобы в течение всего времени / выполнения множества элементарных функций {/}, композицией которых является Е{ существовала вся связная программно-аппаратная подсистема Я ресурсов вычислительной сети для выполнения всех элементарных функций {/}. Такое требование является избыточным с точки зрения функциональной живучести. Фактически, требуется точное соответствие запрашиваемых и выделяемых ресурсов сети в определенный промежуток времени, и преемственность в выполнении функций {/} без потери промежуточной информации.

Планирование выполнения Е частично осуществляется в узлах сети собственными управляющими средствами (операционными системами вычислительных машин), а частично возлагается на сетевые средства управления, реализуется на уровне сетевых протоколов, за счет использования дополнительных серверов. Эффективность работы сети в целом зависит от временных и ресурсных затрат на планирование вычислительного процесса и управление им.

Средства обеспечения живучести вычислительных сетей основаны на механизмах реконфигурации, оперативной диспетчеризации, восстановления. Управляющая система должна иметь возможность подключить их в момент необходимости.

При нарушении связности сети, средства обеспечения живучести должны диагностировать разрыв, выделить участки сети, между которыми должна быть восстановлена связь и определить альтернативные пути между эти-

ми участками. В частности, в сети могут использоваться пути передачи различной физической природы и алгоритмы адаптивной маршрутизации.

При функциональном отказе (разрушении созданной программно-аппаратной подсистемы Я{Р, 5"}), если не удается компенсировать отказ средствами обеспечения отказоустойчивости, то при наличии средств обеспечения живучести функционирование будет организовано следующим образом:

1. Делается попытка создания новой программно-аппаратной подсистемы Я^Р, 5} для выполнения полного набора функций Е = {Е,} возможно с другим качеством выполнения функций (может смениться алгоритм решения задач, время решения и т.п.). Если качество выполнения функций Е = {Е,} удовлетворительно, то реализация функций продолжается. В противном случае переходим к пункту 2.

2. Определяется усеченный набор функций {Е,} с Е. Производится логическая и структурная реконфигурация подсистемы Я (удаление) низкоприоритетных подзадач, очистка областей памяти, файлов, подгрузка новых копий программ и данных, изменение путей передачи информации, инициализация работы подсистемы в ее новом варианте). В случае невозможности работы в текущей подсистеме, создается и инициализируется работа подсистемы Я для выполнения {Е,} с Е.

Существенной компонентой средств управления в системах повышенной живучести являются файлы восстановления, отражающие отдельные этапы вычисления функций и позволяющие продолжить выполнение Е с контрольной точки. Механизм анализа и изменения целевой функции реализуется в виде «интеллектуальной» подсистемы коррекции цели функционирования и адаптации системы к меняющейся внешней среде.

При разработке информационно-вычислительных систем на базе сетей следует учесть ряд общих положений, лежащих в основе построения систем, обладающих свойством живучести:

- базовой архитектурой системы должна быть отказоустойчивая архитектура, допускающая и ориентированная изначально на введение средств обеспечения живучести;

- алгоритмы реализации целевой функции системы должны строиться, исходя из принципа распараллеливания (параллелизм алгоритмов, программ, устройств, данных, маршрутов передачи информации);

- все виды избыточности (временной, структурной, энергетической, информационной) должны использоваться и разумно сочетаться средствами управления;

- должны быть реализованы многофункциональность программного и аппаратного обеспечения, автономность и модульность построения системы;

- должна быть заложена возможность частичной децентрализации процессов управления;

- должны быть включены в систему процедуры контроля, диагностики и восстановления;

- специальные механизмы и подсистемы обеспечения живучести должны строиться как процедуры реконфигурации, перераспределения ресурсов, постепенной функциональной деградации.

Ведущие западные фирмы, создающие как аппаратное, так и программное обеспечение, уделяют большое внимание разработке вопросов отказоустойчивости и живучести. Результаты исследований по отказоустойчивости реализованы в архитектурах современных отказоустойчивых систем, средства обеспечения отказоустойчивости есть практически в любой сетевой операционной системе. К ним относятся:

- дублирование FAT, как наиболее чувствительного файла на жестком диске;

- периодическое дублирование «критических» файлов;

- средства «горячего» исправления ошибок («hot fix» ability), которое означает, что при возникновении ошибки во время работы с каким-либо участком диска данные оперативно переписываются на заранее определенный, более надежный участок того же диска;

- одновременное поддержание нескольких копий дисков (disk mirroring);

- применение дуплексных дисковых каналов (disk duplexing);

- копирование сервера (server mirroring);

- использование источников бесперебойного питания (uninterruptible power supply - UPS) и их мониторинг.

Результаты разработок механизмов обеспечения живучести вычислительных систем трудно проследить в открытой печати, т.к. эти работы, как правило, ведутся по заказам военных ведомств. Однако понятно, что решение проблемы обеспечения живучести связано с дальнейшим развитием метода динамической реконфигурации, реализуемым как программно, так и аппаратно, с разработкой новых архитектурных решений, развитием адаптационных средств.

На основании получаемых результатов разрабатываются рекомендации, направленные на дальнейшее совершенствование структуры распределенной информационно-вычислительной сети тренажерно-обучающей системы войсковой ПВО и создание благоприятных условий для реализации информационно-управленческих функций.

Список литературы:

1. Стекольников И.Ю. Живучесть систем. - СПб.: Политехника, 2002. -155 с.: ил.

2. ГОСТ 34.003-90. Автоматизированные системы. Термины и определения.

3. Бужлаков С.Н. Методика оценивания показателей живучести элементов распределенной информационно-вычислительной сети системы ПУ В ПВО. - М.: ФГУП НТЦ «Информтехника». Научно-технический сборник «Оборонная техника» № 2-3, рег. № 114/32. 2011.

СИНТЕЗ НЕЧЕТКОГО РЕГУЛЯТОРА ДЛЯ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ С ЧИСТЫМ ЗАПАЗДЫВАНИЕМ

© Горшкова К.Л.*

Альметьевский государственный нефтяной институт, г. Альметьевск

Многие промышленные объекты характеризуются существенным запаздыванием, в частности, все тепловые, многие аппараты нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических установок. Нагревательные печи являются типичными объектами управления с запаздыванием. Рассмотрим систему управления водогрейных котлов на основе термостатов. Данные системы отличаются простотой, дешевизной и надежностью, однако обладают недостатком релейных систем. Синтез систем управления с нечеткой логикой при применении современных средств аппаратной и программной поддержки зачастую проще, чем традиционных.

Термостат, аппарат для получения и поддержания постоянной температуры жидкости в рабочем сосуде. В процессе работы регулируется поток горячей воды 01 и поток холодной воды Q2 при поддержании заданного расхода теплоносителя на выходе термостата [1]. При смешении без отвода тепла двух жидкостей с разными температурами в установившемся режиме значения температуры Т и потока 0 жидкости связаны следующими уравнениями:

При заданных температуре Тз и расхода Qз теплоносителя на выходе смесителя заданные расходы теплой воды и холодной воды вычисляются из уравнения (1) по формулам:

01(Т - Т1) + 02(Т - Т2) = 0, 0 = 01 + 02 => = (61- Т1 + (2 - Т 2)

Я

> Т

(1)

* Аспирант кафедры Автоматизации информационных технологий.