Обеспечение надежности автоматизированных информационных систем на основе сетевой кластеризации серверов

На современном этапе экономического развития страны одной из важнейших проблем является задача повышения качества продукции и работ (услуг). Важное место в решении этой проблемы занимает задача повышения надежности разработок в области создания автоматизированных информационных систем (АИС), используемых в различных сферах деятельности: обработки данных, проектирования, научных исследований [1,2].

Повышение надежности разработок в области создания АИС — разносторонняя проблема. Она имеет социальный, экономический и научно-технический аспекты.

Социальный аспект проблемы заключается в необходимости своевременного приведения надежности разработок в соответствие с мировыми постоянно ужесточающимися требованиями, предъявляемыми потребителем к надежности продукции, которое в первую очередь определяется такими социальными факторами, как профессиональное мастерство и качество труда.

Экономический аспект проблемы повышения надежности продукции определяется тем, что данная проблема является частью более общей проблемы — повышения эффективности производства.

Научно-технический аспект проблемы обусловливается тем, что уровень надежности разработок АИС зависит от достижений науки и техники, а также темпов внедрения этих достижений в различные сферы производственной и непроизводственной деятельности.

Эффективность и качество АИС во многом предопределяются их надежностью, т. е. свойством системы сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации. Проблемам надежности АИС посвящены работы таких ученых, как В. П. Бобков, О. Н. Бодин, В. И. Будзко, А. Э. Говорский, А. Г. Додонов, К. А. Иыуду, В. П. Климанов, А. И. Костогрызов, И. А. Мизин, В. В. Липаев, В. А. Нетес, Б. В. Палюх, В. И. Потапов, И. В. Прангишвили, Дж. Сандлер, Г. С. Теслер, И. А. Ушаков, В. А. Фатуев, Я. А. Хетагуров.

Одной из актуальных задач, возникающих при проектировании и модернизации АИС, является задача обеспечения заданного уровня надежности [28, 33, 39, 47, 52, 53, 58, 79, 83, 89, 92]. При решении такой задачи возникает возможность уже на стадии проектирования АИС оценивать уровень надежности предлагаемых схем и технологий обработки данных [9, 17, 19, 27, 26, 29, 46, 55, 63, 66, 68, 86]. Для такой оценки необходима разработка математических моделей, учитывающих особенности режима эксплуатации [4, 5, 6, 21, 36, 45, 60, 72, 93] .

Одним из основных методов повышения надежности технических средств АИС является резервирование серверов. Резервироваться могут как отдельные элементы сервера (процессор, жесткий диск, блок питания и т. п.), так и сервер целиком — за счет использования кластерных технологий.

Общим вопросам кластеризации посвящено значительное количество работ. Существуют типовые схемы кластеризации, но практически не используется такая технология как сетевая кластеризация — это направление только начало зарождаться. Эффективное применение сетевых кластерных технологий позволяет обеспечить не только повышение надежности функционирования АИС, но и повысить их катастрофоустойчивость, за счет применении сетевых (территориально распределенных) кластерных систем [7, 14, 15].

Катастрофоустойчивость является составной частью надежности и подразумевает способность АИС противостоять природным и техногенным катастрофам, террористическим актам и другим экстремальным воздействиям.

В настоящее время практически отсутствуют работы по созданию методов и математических моделей для оценки надежности и катастрофоустойчивости современных технологических схем кластеризации серверов на стадии проектирования АИС, что и определяет актуальность настоящей диссертации.

Цель: Обеспечение надежности сетевых кластеров серверов автоматизированных информационных систем на основе применения сетевых схем кластеризации.

Для достижения данной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проанализировать методы и средств обеспечения надежности и катастрофоустойчивости технических средств АИС.

2. Разработать математические модели высокой точности для описания процессов «отказов-восстановлений» на основе математического аппарата марковских цепей с непрерывным временем.

3. Разработать методику построения моделей для описания процессов «отказов-восстановлений», учитывающую технологические особенности контроля отказов и восстановлений серверов обработки данных высокой надежности.

4. Разработать имитационную модель описания процессов «отказов-восстановлений» для проверки адекватности аналитических моделей, разработанных с помощью созданной методики.

5. Разработать алгоритмы и программную среду математического моделирования технологических схем резервирования данных, обеспечивающих заданный уровень надежности и точности.

При выполнении диссертационной работы использовались методы теории вероятностей, случайных процессов, теории массового обслуживания, теории информации, теории катастроф, аппарат теории структурной надежности и методы математического анализа.

К наиболее значимым результатам исследования, обладающим научной новизной, относятся:

1. Разработка методики построения математических моделей надежности кластерных систем, позволяющая учитывать вид контроля, время переключения, надежность системы переключения и другие факторы.

2. Критерий готовности, учитывающий ненадежность системы переключения на резервные элементы и условия эксплуатации системы.

3. Разработка оригинальной схемы организации сетевого кластера для обеспечения катастрофоустойчивости функционирования информационных систем.

4. Разработка аналитических моделей высокой точности для оценки надежности предложенной схемы организации сетевого кластера.

5. Разработка имитационной модели для проверки адекватности аналитических моделей, разработанных с помощью созданной методики.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Предложенная оригинальная схема организации сетевого кластера обеспечивает высокий уровень надежности и катастрофоустойчивости хранения и обработки информации техническими средствами АИС различного назначения.

2. Разработанная программная среда для оценки надежности сетевого кластера позволяет выполнять оценку надежности различных вариантов организации кластера и выбирать эффективное решение на стадии проектирования.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов определяется корректным использованием современных математических методов и моделей.

Разработанная Монте-карловская модель, обеспечивающая высокую точность моделирования, подтверждает адекватность предложенных аналитических моделей надежности.

Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения результатов работы в проекты организации.

Разработанные в диссертационной работе оригинальная схема организации сетевого кластера, математические модели оценки надежности, методика построения математических моделей и программное обеспечение были использованы в рамках научно-исследовательских работ по программе «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования» по проектам:

• «Разработка принципов функционирования, организационно-методического и программного обеспечения ядра администрирования информационно-управляющей сети сферы образования»;

• «Разработка технических предложений по формированию сервера баз данных и приложений Минобразования на средствах ЕСЦ сферы образования»;

• «Создание систем и методов высокоскоростного доступа к ресурсам телекоммуникационных образовательных сетей»;

• «Исследование методов и обоснование выбора аппаратно-программных средств высокоскоростного доступа к информационным ресурсам образовательных сетей»;

• «Технические решения и технологии организации сетевого взаимодействия объектов управления в рамках ресурсного центра».

Основные положения, теоретические выводы и практические рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика — 96» (Москва, 1996 г.), международных конференциях «Информационные средства и технологии» (Москва, 2002 и 2003 г. г.), Всероссийской научно-практической конференции «Технологии Интернет — на службу обществу» (Саратов, 2003 г.), а также научных семинарах кафедры «Информационные системы» и Специализированного центра новых информационных технологий МГТУ «Станкин».

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Во введении обосновывается актуальность решаемой проблемы, формулируются цели и задачи исследования, определена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ факторов, влияющих на надежность информационных систем, предложена классификация АИС по уровням надежности, приведены характеристики надежности АИС и классификация методов повышения надежности АИС.

Показано, что требования к надежности для современных АИС значительно повысились. В последнее время появился новый класс надежности АИС — катастроф оустойчивые системы. Приведена зависимость стоимости системы от обеспечиваемого класса надежности.

Для создания катастроф оустойчивых систем требуется отнесение резервных элементов на значительные расстояния от основных элементов.

Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе проводится анализ существующих методов кластеризации и предлагается новая схема организации кластера на основе использования сетевых технологий, обеспечивающая повышение надежности функционирования информационных систем.

Приводится многоуровневая модель кластера, требования, предъявляемые к кластерным системам.

Приводится классификация кластерных систем по функциональному назначению, классификация высоконадежных кластеров по подсистемам хранения, по вариантам топологии, по распределению вычислительных ресурсов, классификация катастрофоустойчивых кластерных систем.

Приведен обзор существующих кластерных систем высокой надежности.

Проведен анализ отказов высоконадежных кластерных систем и показано, что отказы сетевого оборудования составляют около 20% от общего числа отказов.

Предложена новая схема организации сетевого кластера на базе двух магистралей FDDI, обладающего высокой надежностью сетевой составляющей.

В третьей главе представлены: методика построения модели оценки надежности сетевой кластерной системы, критерий, учитывающий виды контроля, математические модели надежности, учитывающие особенности функционирования предложенной схемы кластеризации. Разработанные модели оценки надежности реализованы в виде алгоритма и программной среды моделирования.

Проведен анализ методов моделирования, приведено описание методов аналитического и имитационного моделирования.

Предложены методика построения аналитических моделей для оценки надежности сетевых кластерных систем, учитывающая условия эксплуатации системы, и критерий оценки надежности сетевой кластерной системы, учитывающий ненадежность устройства переключения и контроля.

Разработаны аналитические модели оценки надежности предлагаемой сетевой кластерной системы, а также имитационная модель надежности для подтверждения адекватности аналитических моделей.

Создана программная среда моделирования, включающая оба типа моделей и реализованная с использованием объектно-ориентированного подхода и среды Borland Delphi версии 5.

В четвертой главе с использованием созданной программной среды моделирования проведен анализ надежности разработанной схемы сетевой кластерной системы.

Проведен сравнительный анализ надежности предлагаемой схемы сетевого кластера на базе двух магистралей FDDI с системой на базе одной магистрали FDDI.

С помощью созданной среды программной моделирования подтверждена адекватность разработанных аналитических моделей.

Выявлены зависимости надежности сетевой кластерной системы от числа и распределения бригад восстановления, периодического или непрерывного контроля магистралей FDDI, стратегии переключения и учета времени переключения.

В заключении приведены основные выводы по результатам диссертационной работы.

На защиту выносятся:

1. Схема организации сетевой кластерной системы высокой надежности на базе двух магистралей FDDI.

2. Методика построения математических моделей надежности систем, учитывающая виды контроля, время переключения, надежность системы переключения и другие эксплуатационные факторы.

3. Критерий готовности, учитывающий ненадежность системы переключения на резервные элементы и условия эксплуатации системы.

4. Аналитические и имитационная модели высокой точности для оценки надежности предложенной схемы организации сетевого кластера.

5. Программная реализация предложенных моделей.

6. Результаты проведенного моделирования и сравнительный анализ условий эксплуатации предложенной схемы сетевого кластера высокой надежности.

Выводы, но главе 4.

1, Проведен сравнительный анализ предложенной схемы организации сетевого кластера на базе двух двойных колец FDD1 и сетевого кластера на базе одного двойного кольца PDD1 путем сравнения вероятности единичного отказа сетевых соединений. Установлено, что надежность кластерной системы зависит от способа подключения Оборудования (с чередованием или без). Допустимая вероятность единичного отказа для предлагаемой схемы организации значительно превышает допустимую вероятность для схемы с одной магистралью FDDI, особенно для систем с высоким коэффициентом готовности.

Проведен анализ надежности сетевой кластерной системы в различных условиях эксплуатации и выявлена зависимость коэффициента готовности кластерной системы от различных факторов: числа бригад восстановления, стратегии переключения на резервную магистраль и др. Предложенные модели и программная среда были использованы в ГосНИИ СИ при проектировании сетевой кластерной системы Центрального серверного узла Министерства образования и науки РФ и ЗАО «Медиател» при проектировании АИС FORIS OSS, а также использованы при выполнении ряда работ по научно-техническим программам Министерства образования и науки.

Представленный комплекс моделей позволяет проектировать кластерные системы высокой надежности.

Заключение

.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных по проблеме повышения надежности автоматизированных информационных систем, а также опыт внедрения разработанных моделей, методики и программного обеспечения позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Обоснована актуальность задачи обеспечения заданного уровня надежности путем резервирования серверов АИС на основе применения элементов сетевых кластерных технологий.

2. На основе проведенного анализа методов и средств обеспечения надежности и катастрофоустойчивости технических средств АИС предложена новая схема организации сетевого кластера на основе применения двух двойных колец FDDI, обеспечивающая катастрофоустойчивость функционирования АИС и позволяющая обеспечить снижение соотношения «цена/надежность системы» при условии обеспечения заданного уровня надежности системы.

3. На основе математического аппарата марковских цепей с непрерывным временем и разработанного критерия готовности, учитывающего ненадежность системы переключения на резервные элементы, разработана методика построения математических моделей надежности систем, позволяющая учитывать вид контроля, время переключения, надежность системы переключения и другие факторы.

4. С использованием предложенной методики разработаны марковские модели для оценки надежности предложенных схем организации сетевого кластера. Адекватность разработанных марковских моделей была подтверждена на основе сравнения результатов моделирования с результатами, полученными с использованием разработанной Монте-карловской модели высокой точности.

5. Реализованы алгоритмы и программная среда моделирования надежности и катастрофоустойчивости сетевых кластерных систем в соответствии с разработанными методикой и математическими моделями.

6. Разработанная схема организации сетевого кластера и модель оценки надежности были использованы при проектировании сетевой кластерной системы Центрального серверного узла Министерства образования и науки РФ.

7. Теоретические положения и результаты исследований обсуждались на международных конференциях «Информационные средства и технологии» (Москва, 2002 и 2003 г. г.) и Всероссийской научно-практической конференции.

Технологии Интернет — на службу обществу" (Саратов, 2003 г.). Основные результаты работы представлены в 9 научных публикациях. Результаты исследований были использованы при выполнении 7 научно-исследовательских работ по заказу Минобразования России.