Отказоустойчивая передачасообщений в многопроцессорныхсистемах обработки данных Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ОТКАЗОУСТОЙЧИВАЯ ПЕРЕДАЧА СООБЩЕНИЙ В МНОГОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМАХ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

FAILOVER MESSAGE TRANSFER IN MULTIPROCESSOR SYSTEMS OF DATA PROCESSING

Колосков В.А. — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры проектирования вычислительных комплексов «МАТИ» — Российского государственного технологического университета имени К.Э. Циолковского

Колоскова Г.П. — кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры проектирования вычислительных комплексов «МАТИ» — Российского государственного технологического университета имени К.Э. Циолковского

Koloskov V.A. — Doct. Sc. (Technical), Professor of the Department of Computer Design of Complexes, MATI — Russian State Technological University

Koloskova G.P. — Cand. Sc. (Technical), Associate Professor of the Department for Computer Design of Complexes, MATI — Russian State Technological University

Аннотация

Представлен клеточный алгоритм маршрутизации в однородных структурах многопроцессорных системах, обеспечивающий поиск оптимальных маршрутов передачи сообщений при многочисленных отказах процессоров. Рассмотрены клеточные правила обработки локальных данных для поиска маршрутов в тороидальной сетевой структуре с отказами компонент. Предложенный алгоритм гарантировано находят минимальный маршрут независимо от числа и конфигурации отказов в сети на основании минимальных локальных данных об отказах.

Abstract

The paper presents the cellular algorithm of routing in homogeneous structures of multiprocessors systems. This algorithm provide the search for optimal routes in multiple failures processors. The authors considered

263

the cellular rules of processing of local data for search of routes in the toroidal network structure by component failures. The algorithm offered hereby will find a routing with guarantee, not depending from the number and configuration of network failures, on the basis of local data about such failures.

Ключевые слова: многопроцессорные системы, параллельные вычисления, клеточные алгоритмы маршрутизации, отказоустойчивость.

Keywords: multiprocessor systems, parallel computing, cellular algorithm of the routing, fault tolerance.

Современные системы автоматизированной обработки данных и автоматизации управления процессами различной природы строятся в виде сетей процессоров, позволяющих обрабатывать большие потоки информации и управлять множеством объектов [1, 2]. Важнейшей задачей проектирования и создания многопроцессорных систем (МПС) является обеспечение оптимальной передачи сообщений между парами элементов в условиях появления отказов отдельных узлов и областей в сетевой структуре [3, 4].

Известные алгоритмы отказоустойчивой маршрутизации не всегда находят рациональное решение при отказах элементов, либо требуют значительных временных затрат из-за обработки глобальных данных об отказах в сети. При этом серьезной проблемой является сочетание затратной адаптации к динамическому изменению отказовой ситуации с возможным появлением циклов на путях маршрутизации. Большинство известных методов маршрутизации ориентированы на распределение информации о структуре отказавших областей между соседними узлами отказавших блоков. Алгоритмы формирования и обработки данных о структуре областей отказов носят эвристический характер и не всегда обеспечивают поиск минимальных маршрутов.

В данной работе предложен подход к адаптивной маршрутизации в сеточных структурах, основанный на распределенном формировании данных о достижимости приемника сообщения в условиях многочисленных отказов узлов. Предложенный клеточный алгоритм маршрутизации не требует глобальных данных о расположении всех отказавших элементах в исходной структуре, не зависит от конфигурации отказов и размерности сети. В отличие от известных методов, использующих локальные данные о конфигурации отказавших областей,

264

либо об удаленности от отказов, рассматриваемый подход впервые использует для маршрутизации качественно новую распределенную по всем узлам локальную информацию, отражающую возможность оптимального достижения цели из любого узла.

Структура отказоустойчивой многопроцессорной системы представляется ортогональной графовой решеткой из т * п узлов (вершин) где т — число узлов по оси ординат, п — число узлов по оси абсцисс. При свертывании границ решетки по вертикали и горизонтали, она превращается в тор. Расстояние между соседними вершинами по всем к е (1, 2, 3, 4) (1 — вправо, 2 — вверх, 3 — вниз, 4 — влево) направлениям постоянно и равно шагу решетки й, расстояние между удаленными друг от друга вершинами определяется в ортогональной метрике.

Алгоритм маршрутизации реализуется клеточной вычислительной средой маршрутизации с топологией, повторяющей топологию основной сети. Обмен сигналами ячейки СК.. в среде маршрутизации осуществляется только с основным процессором Р.. сети и смежными соседями среды в направлениях к е {1, 2, 3, 4} (рис.1), обработки глобальных данных не ведется.

I | На входы элемента С 7? среды марш-

рутизации поступает сигнал хЦ о работоспособности процессорного элемента Р, а также значения клеточных переменных от смежных элементов {СК }, где (р^) е {((/ ,] - 1), (I + 1,Д (/ - 1,Д (и j + 1). Работа среды инициируется процессорным элементом — источником (I ]1) при выполнении команды передачи сообщения по физическому адресу (12, .2) приемника. Результатом работы среды являются значения переменных {М. маршрута, определяющих для каждого Р., принадлежность маршруту и направление ретрансляции сообщения.

Поясним принцип клеточной обработки переменных о состянии МПС, позволивший оптимально обходить области отказов при передаче сообщений. Клеточный алфавит ячейки маршрутизации включает переменные, описывающие состояние процессорного элемента, текущее состояние клетки среды маршрутизатора и переменные управления коммутацией каналов передачи сообщения.

265

\

Г| >11

Гп

X

т

р=

С1 !и

Рис.1. Структура МПС с клеточной средой маршрутизации

Состояние ПЭ описывается следующими переменными: х0'' е {1,0} — отказ / работоспособность (/',/)-ого ПЭ; и = {£/} е (0,1) — состояния линков (работоспособный / отказавший) для узла (/',/) в смежных направлениях к;

х^' е {1,0} — принадлежность узла (/', ]) к источнику сообщения; Д х'' е {0, 1, 2, ..., п}, Ду' е {0, 1, 2, ..., т} — значения отклонений по осям X, Y от узла (/',/) до приемника.

Переменные Д X', Д у' задают физическое расположение приемника в формате сообщения и соответствуют смещениям координат источника ('1, относительно координат приемника ('2, ]2) по осям абсцисс и ординат соответственно. Исходные значения Д х ', Д у '' (при движении от источника слева направо и сверху вниз) вычисляются по формулам:

[П-|М -сли у <у [Ь -у^еслиЬ >

Д Ху =

Д у =

[ "2 -4,если "2 > \\ где т, п — число строк и столбцов решетки МПС. В основу клеточного поиска рационального пути передачи сообщения положена структурно-топологическая характеристика среды маршрутизации {"^ '', ^ '', ^ ', ^ '}, описывающая длины потенциальных маршрутов к получателю сообщения при произвольных отказах в структуре МПС.

Определение 2.1. Доступность приемника из элемента (/', ]) — это значения ^ = {"^ ' , ^ ',^ ',^ '} дискретных величин ^1к', соответствующих минимальным расстояниям в шагах решетки от данного элемента до приемника при движении через работоспособные каналы связи в направлении к е {1, 2, 3, 4}; при запрете перемещения принимает значение ЬХ, превышающее любую реальную длину маршрута в решетке т х п.

Клеточная операция 01 определения для произвольной отка-зовой комбинации имеет вид:

( к("л +1, если {¿П = 0) л(Ху = 0)л(Ьркч = 0)л(* ЬХ);

ЬХ, если (= ЬХ) V (Ьркч = 1) V ( Ху = 1); 1, если (ЬкЧ = 0) л {4 = 1); , если иначе,

266

шРЧ

где w ¡pq — значение длины входного маршрута от смежного соседа с направления k; (p,q) е {(/', j - l),(/' + l, j),(i - l, j),(i, j + l)} — номера смежных для узла (i, j) вершин; Lp е (0,1) — переменные состояния линков (работоспособный/отказавший) для узла (i, j) в смежных направлениях к; w"'" = min {w1kj} — минимальная длина исходящего из узла (i, j) маршрута.

Полученные при выполнении операции 01 значения W]ij являются основой определения направлений {w21ij, w22ij, w23ij, w24ij} минимального маршрута передачи сообщения от источника к приемнику в соответствии с клеточной операцией 02:

если(Wlt = W"n)л( W"n * LX)^({W * °)v(4 = 1 ))> I 0, если иначе,

02 :

где w2kj е (0,1) — маршрутная переменная; w2max = max {w2™}— максимальное значение маршрутной переменной смежных вершин.

Обобщенными функциями разработанного клеточного алгоритма маршрутизации являются:

1. Определение позиции приемника x^ по значениям Д xij, Д y''.

2. Определение значений w1j длин потенциальных минимальных маршрутов к приемнику в условиях отказов элементов и линков.

3. Определение минимального маршрута передачи сообщения от источника (xjj = 1) к приемнику (xnj = 1).

Ниже на графовой решетке представлен пример выполнения операций © ©2 (рис. 2,б) для фиксированного состояния элементов и линков (рис.2,а). На дугах отмечены значения w1k'j, дуги маршрутов

_Ц _Ц л

— -х-

X

т

X

т

п -X

т

т

Рис.2. Пример клеточной маршрутизации

267

= 1) отмечены двойными линиями. Символ «х» отмечает отказы элементов и связей в МПС.

Таким образом, в работе решена проблема оптимального обхода отказовых областей произвольной конфигурации за счет формирования распределенных данных о рациональных перемещениях к приемнику из любого узла решетки. При этом маршрут никогда не приходит в тупик, т.к. разрешение на перемещение (формирование w^ ф 0) получают только работоспособные вершины. Результаты моделирования подтвердили корректность разработанного подхода к отказоустойчивой передаче сообщений в многопроцессорной структуре с отказами компонент.

Библиографический список

1. Барский А.Б., Шилов В.В. SPMD-архитектура и параллельная обработка структур, данных // Информационные технологии. 1999. № 6. С. 11-17.

2. Колосков В.А., Колоскова Г.П., Лонг Динь Т. Управляемая клеточная непрерывная среда самореконфигурации многопроцессорных систем // Информационные технологии. 2012, №9. С. 22-27.

3. Колосков В.А., Колоскова Г.П., Павлюченко Д.В., Динь Туан Лонг. Передача сообщений в реконфигурируемой отказоустойчивой системе // Информационные технологии. 2013. № 10. С. 29-35.

4. Колосков В.А., Колоскова Г.П., Павлюченко Д.В., Динь Туан Лонг. Адаптивное сетевое управление маршрутизацией в рекон-фигурируемых системах // Мехатроника, автоматизация, управление. 2013. № 8. С. 39-46.

Контактная информация:

e-mail: v_koloskov@mail.ru

Contact links:

e-mail: v_koloskov@mail.ru

268