СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ МЕЖДУ АГЕНТАМИ В ГЕТЕРОГЕННОЙ ЭПИЗОДИЧЕСКОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ
METHOD FOR DISTRIBUTION OF RESOURCES BETWEEN AGENTS IN THE HETEROGENEOUS EPISODIC COMPUTER NETWORK

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при создании и совершенствовании гетерогенных эпизодических вычислительных сетей.
Под гетерогенной вычислительной сетью понимают сеть, соединяющую персональные компьютеры и другие устройства с различными операционными системами или протоколами передачи данных (Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл, «Компьютерные сети», 5-е издание).
Под протоколом передачи данных понимают набор правил и очередность действий, позволяющий осуществлять соединение или обмен данными между двумя и более включенными в сеть устройствами (Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл, «Компьютерные сети», 5-е издание).
Под термином эпизодическая сеть понимаются одноранговые самоконфигурируемые сети, в основе которых выступают узлы-маршрутизаторы, отличаются тем, что топология таких сетей меняется. Каждое устройство в такой сети перемещается независимо от других в абсолютно любом направлении (Филиппов А.Н. «Свойства и характеристики Ad Нос сетей». Международный научный журнал «Молодой ученый». №11 (115) июнь - 1 2016 г.).
Агенты представляют собой различные электронные вычислительные установки, включая стационарные, GRID, мобильные устройства и т.п., имеющие различные интерфейсы связи. Агент определяет, какие ресурсы или пакеты ресурсов ему необходимы.
В качестве ресурсов могут использоваться как вычислительные (процессорное время), семантические (необходимые файлы данных), сетевые (доступ в интернет), так и произвольные сервисы (информация установленных приложений).
Под вычислительными затратами понимаются процессорное время (время, затраченное процессором компьютера на обработку задачи), объем оперативной памяти (энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором), объем памяти, занимаемой на жестком диске, пропускная способность сети (метрическая характеристика, показывающая соотношение предельного количества проходящих единиц (информации, предметов, объема) в единицу времени через канал, систему, узел) [ГОСТ 28195 89].
Под информационными затратами понимается совокупность данных, организованных для эффективного получения достоверной информации [ГОСТ 7.0 99].
Известен способ, включающий выбор пути маршрутизации пакета данных от исходного узла до узла назначения в мобильной эпизодической беспроводной локальной вычислительной сети (United States Patent №9036509, H04L 12/16, 19.05.2015), который хранит пакет данных, если выбранный путь идентифицирован как тупиковый, и устанавливает связь с исходным узлом. Данный способ также включает передачу пакета данных в исходный узел, если первое расстояние между исходным узлом и узлом назначения меньше, чем второе расстояние между исходным узлом и узлом назначения. Более специфические объединения включают в себя отправку запроса для получения информации о расположении узла назначения, доступных путях до него, а также определяет оптимальный из этих путей.
Недостатком данного аналога являются высокие вычислительные и информационные затраты на распределение ресурсов в гетерогенной эпизодической вычислительной сети.
Известен способ адаптации параметров распределения ресурсов для достижения одного или более показателей качества с улучшенной точностью (патент на изобретение РФ №2368104, H04W 28/18, 20.09.2009), который представляет новые измерения информации, основанные на так называемой взаимной информации (ВИ), предпочтительно на блоковом уровне. Измерения информации, основанные на ВИ предыдущей передачи, прогнозирование канала последующей передачи и одно или более требований качества используются для определения количества и типа ресурсов, например ресурсов времени, частоты и мощности, которые должны быть использованы для последующей передачи. Распределение ресурсов может содержать, например, распределение мощности и/или адаптацию соединения. Предпочтительный вариант осуществления - совместная адаптация соединения и распределение мощности.
Недостатком данного аналога также являются высокие вычислительные и информационные затраты на распределение ресурсов в гетерогенной эпизодической вычислительной сети.
Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям аналогом (прототипом) к заявляемому способу является способ гарантированного доведения информации в неоднородной вычислительной сети (патент на изобретение РФ №2361366, H04L 12/00, 10.07.2009). В данном способе устанавливают на каждую вычислительную установку общесистемное программное обеспечение для получения единой защищенной магистрали информационного обмена между всеми вычислительными установками упомянутой неоднородной вычислительной сети; обеспечивают на каждой вычислительной установке единые унифицированные средства межмашинного информационного обмена, реализующие физическую связность упомянутых вычислительных установок в рамках упомянутой единой защищенной магистрали информационного обмена; обеспечивают посредством упомянутых средств межмашинного информационного обмена единообразное взаимодействие как между вычислительными установками в локальной вычислительной сети объекта автоматизации, входящего в упомянутую неоднородную вычислительную сеть, так и между глобальными объектами автоматизации в рамках упомянутой неоднородной вычислительной сети; перенастраивают в каждой операционной системе все системные интерфейсы по обмену данными на соответствующие механизмы обмена данными упомянутого общесистемного программного обеспечения; обеспечивают с помощью упомянутых средств межмашинного информационного обмена взаимодействие между конечными приложениями вычислительных установок в рамках упомянутой вычислительной неоднородной сети посредством автоматического создания очереди исходящих и входящих сообщений для каждого упомянутого конечного приложения; рандомизируют в соответствии с заранее заданной процедурой тело каждого сообщения, подлежащего обмену по упомянутой единой защищенной магистрали информационного обмена, для обеспечения защиты содержимого этого сообщения от несанкционированного доступа; инкапсулируют в соответствии с заранее заданной процедурой рандомизированное тело каждого исходящего сообщения, подлежащего обмену по упомянутой единой защищенной магистрали информационного обмена, для обеспечения глобальной маршрутизации в рамках упомянутой неоднородной вычислительной сети и обработки указанного сообщения на узле-получателе; обеспечивают гарантированную доставку сообщений в рамках упомянутой неоднородной вычислительной сети посредством возвращения на узел-отправитель квитанции о доставке исходящего сообщения на узел-получатель; создают на каждой упомянутой вычислительной установке защищенное хранилище данных, которое рандомизировано по тому же принципу, что и тело сообщения; сохраняют в упомянутом защищенном хранилище данных каждой упомянутой вычислительной установки очереди исходящих и входящих сообщений как в адрес упомянутой вычислительной установки или функционирующего на ней программного приложения, так и в адрес иной вычислительной установки упомянутой неоднородной вычислительной сети; обеспечивают гарантированное хранение входящих и транзитных сообщений в упомянутом защищенном хранилище данных до завершения процесса гарантированной доставки; сохраняют в упомянутом защищенном хранилище данных каждой упомянутой вычислительной установки таблицу маршрутизации сообщений в рамках упомянутой неоднородной вычислительной сети, а также идентификатор каждого конечного программного приложения, функционирующего в контексте упомянутого общесистемного программного обеспечения; обеспечивают гарантированную обработку тела сообщения посредством указания номера конечного приложения-обработчика, при помощи которого тело сообщения следует обработать, и отправляют по факту этой обработки на узел-отправитель подтверждение об обработке; систематически проверяют полномочия каждого должностного лица, допущенного к работе с информационными ресурсами упомянутой неоднородной вычислительной сети, и останавливают сеанс работы конкретного должностного лица при несовпадении хотя бы одного параметра из соответствующего профиля доступа, хранящегося в защищенном хранилище данных упомянутой вычислительной установки; обеспечивают гарантированную идентификацию исходящего, и(или) входящего, либо транзитного сообщения за счет применения встроенного механизма идентификации должностных лиц в вычислительной сети на основе электронно-цифровой подписи, чем достигается юридическая значимость информационного обмена.
Недостатком прототипа является то, что при использовании данного способа в гетерогенной эпизодической вычислительной сети имеют место высокие вычислительные и информационные затраты на распределение ресурсов.
Задачей изобретения является создание способа распределения ресурсов между агентами в гетерогенной эпизодической вычислительной сети, позволяющего снизить вычислительные и информационные затраты на распределение гетерогенных ресурсов в гетерогенной вычислительной сети за счет создания децентрализованной базы данных о текущем состоянии ресурсов.
Эта задача решается тем, что в способе распределения ресурсов между агентами в гетерогенной эпизодической вычислительной сети обеспечивают посредством средств межмашинного информационного обмена взаимодействие между вычислительными установками, создают на каждой упомянутой вычислительной установке защищенное хранилище данных; обеспечивают гарантированное хранение входящих сообщений в защищенном хранилище данных; обеспечивают гарантированную обработку тела сообщения. Дополнительно осуществляют следующие действия: к гетерогенной вычислительной сети подключают агентов, представляющих собой различные электронные вычислительные машины, включая стационарные, GRID, мобильные устройства и т.п. При учете стоимости распределения ресурсов и неоднородности связей агентов в гетерогенной эпизодической вычислительной сети используют двойной комбинаторный аукцион перераспределения ресурсов в эпизодической сети. После осуществления взаимодействия между вычислительными установками создают децентрализованную базу данных, которая обновляется автоматически, агенты формируют и выставляют заявки, в которых указывают, какой ресурс агенты готовы предложить и по какой стоимости и какой ресурс агенты могут приобрести и по какой стоимости. Обеспечивают гарантированное хранение входящих сообщений, сохраняют в децентрализованной базе данных таблицу маршрутизации сообщений, а также идентификаторы агентов, при этом входящее сообщение представляет собой заявку на участие в аукционе, обеспечивают гарантированную обработку тела сообщения, сравнивают содержимое сообщений и осуществляют обмен ресурсами между агентами.
Таким образом, путем создания защищенного хранилища данных с автоматическим обновлением, хранящего информацию о заявках и о текущем состоянии ресурсов, а также применением механизма двойного комбинаторного аукциона уменьшаются вычислительные и информационные затраты на распределение ресурсов при взаимодействии гетерогенных агентов и гетерогенных ресурсов в гетерогенных вычислительных сетях.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа распределения ресурсов между агентами в гетерогенной эпизодической вычислительной сети, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на решение задачи изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием развитой современной элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ с достижением указанного в изобретении назначения.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг. 1 - блок-схема распределения ресурсов в гетерогенной эпизодической вычислительной сети согласно предлагаемому способу;
фиг. 2 - график зависимости количества затрачиваемых ресурсов от количества агентов в гетерогенной эпизодической вычислительной сети.
Реализация заявленного способа заключается в следующем (фиг. 1).
В блоке 102 неоднородные агенты появляются в сети после подключения к соответствующему интерфейсу, позволяющему осуществить взаимодействие для передачи пакетов ресурсов друг другу. Агентами могут выступать различные электронные вычислительные машины, включая стационарные, GRID, мобильные устройства и т.п., имеющие различные интерфейсы связи. При этом важным моментом является именно неоднородность как агентов, так и каналов связи между ними. В качестве интерфейсов для агентов могут использоваться ИК-технология, bluetooth и Wi-Fi адаптеры. Кроме того, могут использоваться интерфейсы проводной сети: USB 2.0, USB 3.0, мини-USB, FireWire, i.Link (IEEE-1394), HDTV, RJ45, SCART, HDMI. (В.Г. Олифер, H.A. Олифер, «Компьютерные сети». 3-е издание, часть II, глава 10, стр. 325).
Агент определяет, какие ресурсы или пакеты ресурсов ему необходимы. В качестве ресурсов могут использоваться как вычислительные (процессорное время), семантические (необходимые файлы данных), сетевые (доступ в интернет), так и произвольные сервисы (информация установленных приложений). Таким образом, ресурс является гетерогенным. Кроме того, отличительной особенностью является возможность передачи пакетов ресурсов.
В блоке 103 осуществляется взаимодействие между вычислительными установками посредством установки единых унифицированных средств межмашинного информационного обмена, реализующих физическую связность вычислительных установок в рамках гетерогенной вычислительной сети.
В блоке 104 у каждого агента создается копия децентрализованной базы данных, обновляемая автоматически, аналогично формированию баз протоколов маршрутизации в IP-сетях («Маршрутизация в IP-сетях. Принципы, протоколы, настройка», Хезер Остерлох), хранящая информацию о заявках и о текущем состоянии ресурсов.
В блоке 105 агент формирует заявку, хранящую информацию о запросе нескольких необходимых ресурсов. Формирование заявки осуществляется в соответствии с протоколом управления передачей межсетевым протоколом TCP/IP. Заявка представляет собой информационный пакет. Протокол стека TCP/IP решает задачу организации взаимодействия между любой произвольной парой узлов в большой составной сети (В.Г. Олифер, Н.А. Олифер, «Компьютерные сети». 3-е издание, часть IV, стр. 563). Стек данных протоколов является независимым от физической среды передачи данных, благодаря чему обеспечивается полностью прозрачное взаимодействие между проводными и беспроводными сетями. Данные в информационном пакете хранятся в соответствии со структурой заголовка TCP в специально отведенном поле (Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл, «Компьютерные сети», 5-е издание, гл. 6.5.4, стр. 592).
В блоке 106 агенты выставляют заявки на аукцион. Выставление заявки на аукцион осуществляется путем создания соответствующей записи в таблице децентрализованной базы данных, автоматически обновляемой у каждого агента сети («Базы данных» под редакцией профессора А.Д. Хомоненко, Санкт-Петербург, КОРОНА принт, 2000, часть 1, стр. 10).
В блоке 107 осуществляется хранение входящих заявок в адрес агента, а также автоматическое обновление соответствующих записей в таблицах децентрализованной базы данных у остальных агентов («Маршрутизация в IP-сетях. Принципы, протоколы, настройка», Хезер Остерлох).
В блоке 108 осуществляется хранение идентификаторов агентов, функционирующих в рамках данной гетерогенной вычислительной сети в соответствующей таблице базы данных («Маршрутизация в IP-сетях. Принципы, протоколы, настройка», Хезер Остерлох).
В блоке 109 производится обработка пакета с заявкой. Для обработки пакета с заявкой, хранящейся в базе данных, СУБД предоставляет программам и пользователям два типа языков: язык описания данных - высокоуровневый непроцедурный язык декларированного типа, предназначенный для описания логической структуры данных, и язык манипулирования данными - совокупность конструкций, обеспечивающих выполнение основных операций по работе с данными: ввод, модификацию и выборку данных по запросам. Языком, сочетающим в себе свойства языков обоих типов, является язык SQL (Structured Query Language) («Базы данных» под редакцией профессора А.Д. Хомоненко, Санкт-Петербург, КОРОНА принт, 2000, часть 1, стр. 11).
В блоке 110 осуществляется сравнение требуемых ресурсов, указанных в заявке заказчика с уже имеющимися данными от агентов-исполнителей. Сравнение заявок осуществляется путем применения языка запросов по образцу SQL. Примерами запросов SQL являются запросы на объединение, запросы к серверу, управляющие и подчиненные запросы. Запрос к серверу выполняет передачу через ODBC команд SQL-серверу и позволяет непосредственно работать с таблицами на сервере вместо их присоединения. Результатом выполнения запроса является поиск требуемых ресурсов и загрузка записей в таблицу («Базы данных» под редакцией профессора А.Д. Хомоненко, Санкт-Петербург, КОРОНА принт, 2000, часть 3, стр. 269).
В блоке 111, если пакет ресурсов, удовлетворяющий критериям запроса, обнаруживается, то происходит обмен ресурсами (блок 8), если такой пакет ресурсов не обнаруживается, то поиск соответствия продолжает вестись у других агентов (блок 5).
В блоке 112 осуществляется обмен ресурсами, если узел обработки заявок находит ресурсы, удовлетворяющие запросу информационного пакета, согласно выставленной заявке (блок 3). Обмен ресурсами осуществляется в соответствии с протоколом управления передачей межсетевым протоколом TCP/IP (В.Г. Олифер, Н.А. Олифер, «Компьютерные сети». 3-е издание, часть IV, стр. 563).
Степень достижения технического результата определялась с помощью имитационных моделей системы-прототипа и системы, реализующей заявленный способ распределения ресурсов между агентами в гетерогенной эпизодической вычислительной сети.
Моделирование выполнялось на базе языка моделирования GPSS в программной среде GPSS World («Моделирование систем. Инструментальные средства GPSS World. Санкт-Петербург, БХВ-Петербург, 2004 г., гл. 5, стр. 158).
Исходными для проведения эксперимента являлись следующие данные:
1) количество предоставляемых гетерогенных ресурсов n=90;
2) количество агентов в мобильной эпизодической беспроводной локальной вычислительной сети k=400;
3) загрузка узла обработки заявок от агентов с использованием гомогенных ресурсов и гомогенных связей между агентами А=0,7, где А=λ⋅τ, при этом λ - интенсивность поступления заявок от агентов, а τ - среднее время обработки заявок;
4) загрузка узла обработки заявок от агентов с использованием предложенного способа распределения гетерогенных ресурсов и гетерогенных связей между агентами А=0,4, где А=λ⋅τ, при этом λ - интенсивность поступления заявок от агентов, а τ - среднее время обработки поисковых заявок;
5) соотношение между затратами гомогенных и гетерогенных ресурсов в сети γ=2,75.
Сравнение результатов эксперимента, приведенное на фиг. 2, показывает, что применение предлагаемого способа снижает вычислительные и информационные затраты на распределение гетерогенных ресурсов в гетерогенной вычислительной сети по сравнению со способом-прототипом.