Способ и устройство адаптивного ресурсосберегающего управления потоками информации в распределённой информационной системе в условиях возмущений
METHOD AND DEVICE OF ADAPTIVE RESOURCE-SAVING INFORMATION FLOW MANAGEMENT IN A DISTRIBUTED INFORMATION SYSTEM UNDER DISTURBING CONDITIONS

Изобретение относится к области информационных технологий и может быть использовано в информационных системах.
Под информационной системой понимается автоматизированная система, результатом функционирования которой является представление выходной информации для последующего использования (ГОСТ РВ 51987).
Информационная система - технологическая система, представляющая совокупность технических, программных и иных средств, объединяющих структурно и функционально несколько видов информационных процессов и предоставляющая информационные услуги (Большой юридический словарь. - М.: Проспект. А.В. Малько. 2009).
В настоящее время в той или иной мере стандартизировано достаточно много способов управления потоками. Большинство из них служат для маршрутизации в сетях связи и IP-сетях. Существует известный статически детерминированный способ «Способ и устройство управления ресурсами передачи (потоками) в процессах автоматических запросов на повторную передачу». (Патент RU 24826111 С 2 от 09.07.2008 г.), в котором заранее задан (ввиду уверенности пользователей систем связи в его безопасности) порядок выбора исходящих направлений из каждого узла мультисервисной сети. Сформированный таким способом план распределения потоков в информационной системе не учитывает ситуацию в ней, которая может возникнуть в результате различных возмущений: выход из строя обработчиков заявок, каналов, перегрузки каналов по направлениям к обработчикам или других процессов. Поэтому он может быть использован в задаче управления потоками информации лишь в ограниченных случаях.
Известны следующие способы: протокол RIP (патент №US200020003780 А1 от 4 февраля 2000 года, описан в документе RFC 1058) и протокол OSPF (патент №US20030218981 А1 от 23 мая 2002 года, описан в документе RFC 1247). Они вычисляют маршруты в сетях IP, работая вместе с рядом других протоколов обмена маршрутной информацией. Несомненным их преимуществом является простота. Недостаток состоит в том, что они применимы исключительно для IP-сетей при маршрутизации пакетов.
Наиболее близким по технической сущности для способа, является «Способ многоуровневого управления потоками в инфокоммуникационных системах в условиях деструктивных изменений на основе вероятностно-игрового метода», заявка №2016115005/07(023597) от 18.04.2016 г., который позволяет повысить эффективность функционирования инфокоммуникационных систем при наличии в них незначительных изменений. Данный способ был выбран за основу в качестве прототипа для заявленного способа.
Недостатком прототипа является то, что практическое применение его возможно только в уровневых сетях инфокоммуникационных систем со стабильными слабо изменяющимися потоками, характеризующимися длительными периодами стационарности (интенсивности которых длительное время остаются неизменными) и в условии полного отсутствия структурных изменений.
Адаптивное управление информационной системой при изменении ее состояния в условиях возмущений невозможно без гибкого оперативного распределения заявок на предоставление пользователям информации в реальном масштабе времени.
Задачей изобретения является создание способа и устройства адаптивного ресурсосберегающего управления потоками информации в распределенной информационной системе в условиях возмущений, для того чтобы провести рациональную организацию процедур управления потоками заявок на предоставление информации в различных условиях, предусматривающих адаптивную коррекцию плана распределения заявок на предоставление информационных услуг в целях повышения эффективности работы информационной системы.
Эта задача решается тем, что предложен комплексный способ, основанный на определенных процедурах статистических (вероятностно-игровых) методов управления сетями, применении элементов квазистатического способа управления потоками требований в уровневой инфокоммуникационной системе (патент №2633191, дата регистрации 11.10.2017 года) и с применением мониторинга системы обслуживания заявок на предоставлении информации.
Способ и устройство адаптивного ресурсосберегающего управления потоками информации в распределенной информационной системе в условиях возмущений заключаются в том, что осуществляют сбор информации о качестве обслуживания заявок обработчиками по заданным критериям (время обслуживания, загрузка обработчиков). Формируют матрицы качества обслуживания по каждому типу информационной услуги. Формируют матрицы вероятностей выбора направления передачи заявок. Осуществляют постоянную коррекцию плана распределения на основе статистики обслуживания заявок на получение конкретного вида услуги конкретными обработчиками заявок. Получают информацию о занятости канала (занят / не занят), времени занятия канала передачей заявки, размера очереди и записывают данную информацию в запоминающее устройство. Вычисляют на основе этой информации число последовательных проб передать информацию по одному направлению , где m - число каналов и осуществляют соответствующее количество попыток передать заявку в приоритетном направлении прежде чем переходить к передаче заявки по другому направлению в соответствии с планом распределения.
Дополнительно введены следующие действия: сбор блоком мониторинга системы обслуживания заявок данных о времени обслуживания обработчиками, загрузке обработчиков и выдача этих данных в блок оценки качества обслуживания заявок и блок накопления статистических данных; формирование матрицы качества обслуживания по данным, полученным с блока оценки качества обслуживания заявок; сравнение данных о состоянии системы в условиях возмущений со средними значениями, получаемыми в обычном состоянии системы, и при значительном отклонении от средних значений осуществление периодической коррекции плана распределения на основе данных блока мониторинга системы обслуживания заявок.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».
Поиск известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показал, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствуют условию патентоспособности «изобретательский уровень».
«Промышленная применимость» введенных элементов обусловлена наличием элементной базы, на основе которой они могут быть выполнены.
Разработанный способ адаптивного ресурсосберегающего управления потоками информации в распределенной информационной системе в условиях возмущений позволяет получить технический результат в виде повышения оперативности обслуживания заявок на предоставление информационных услуг за счет передачи заявки по направлению с более высоким качеством обслуживания. Передача заявки по направлению с более высоким качеством обслуживания становится возможным в результате комплексного использования статистических данных (матрица вероятностей выбора направления передачи заявок), данных системы мониторинга и локальной информации о состоянии каналов и о наличии очередей к обработчикам. Технический результат достигается за счет постоянной корректировки плана распределения заявок по накопленным статистическим данным, данным о результатах работы обработчиков и благодаря возможности повторной передачи заявки по направлению с качеством обслуживания выше, чем у остальных, в случае кратковременной его недоступности (занятости канала).
Если заявка обслужена с требуемым качеством, то это направление поощряется, в противном случае штрафуется (изменяются статистические данные). Для накопления статистики используется матрица вероятностей выбора направления.
1
2
k
r
k
Пусть информационная система содержит г обработчиков {O, О, …, О, …, O}. Пусть О оказывает n видов информационных услуг. Матрица вероятностей выбора направления представляет собой стохастическую матрицу с числом столбцов, равным r (число обработчиков, к которым узел может обращаться (количество исходящих направлений)) и числом строк, равным n (число предоставляемых информационных услуг). Каждая j-я строка матрицы, соответствующая j-му виду услуг, представляет собой вектор:
jk
где P - вероятность обращения к k-му узлу предоставления услуг), . Совокупность векторов составляет матрицу вероятностей выбора направления передачи заявок (2) с числом строк, равным числу предоставляемых системой услуг, и числом столбцов, равным числу исходящих направлений.
jk
Изменение элементов P в матрице (2) происходит следующим образом: если была осуществлена передача заявки по k-му направлению, но она не была обслужена или обслужена с качеством ниже требуемого, то новое значение элемента матрицы, соответствующего k-му направлению вычисляется по формуле:
Если заявка обслужена с требуемым качеством, то новое значение элемента матрицы, соответствующего k-му направлению, вычисляется по формуле:
jk
jξ
После изменения величин P все остальные элементы P∀ξ≠k, , нормируются:
Таким образом, элементы матрицы (2) изменяются в соответствии с (3) или (4), остальные элементы автомата нормируются в соответствии с (5) или (6).
Следовательно, если обслуживание заявки обработчиком по исходящему направлению k заканчивается успешно, то вероятность передачи очередной заявки по данному направлению возрастает.
Согласно данному способу в качестве служебных сигналов, требуемых для изменения планов распределения, выступают сами заявки и сообщения обслуживания заявок. При этом при формировании плана распределения (матрицы вероятностей выбора направления передачи заявок) для каждой новой заявки данного класса используются результаты обслуживания в предыдущее время, а после обслуживания план вновь корректируется. Таким образом, с технической точки зрения загрузка каналов не возрастает.
ОТК
Параметры α и β формируются в системе управления исходя из заданной средней вероятности отказа в обслуживании заявок Р:
1
2
1
ОТК
2
1
1
2
2
где вероятности р и р, удовлетворяющие условию р≤Р<р, по которым рассчитываются параметры α и β, определяются при настройке системы управления заранее (до начала работы) по результатам имитационного моделирования; q=1-p; q=1-р.
Как правило, потоки заявок неравномерны и изменяются в зависимости от оперативной обстановки. Кроме того, сама информационная система (система обслуживания) может претерпевать существенные изменения в результате возмущений. В этих условиях применение статистических данных может оказаться недостаточным. Поэтому предлагается использование блока мониторинга системы обслуживания заявок, формирующего данные о результатах работы обработчиков для блока формирования матрицы качества обслуживания. Блок формирования плана распределения периодически вносит изменения в план путем его нормирования по матрице качества обслуживания. По результатам, полученным блоком мониторинга системы обслуживания заявок блок оценки качества обслуживания заявок осуществляет сравнение качества обслуживания заявки (временные показатели обслуживания) с имеющимися (требуемыми), вычисляет отклонение и высылает данное значение в блок управления. Блок управления может осуществить принудительное штрафование направления, по которому обработчик прекратил обслуживание либо резко снизил качество обслуживания. Вероятность выбора этого направления существенно снизится и это направление не будет выбрано в блоке распределения для передачи. Выполнение принудительного штрафования направления целесообразно на следующем шаге коррекции параметров при штрафовании автомата путем временного увеличения параметра β в формулах (3,5). При отказе обработчика заявки требуется увеличить β во столько раз, чтобы блокировать данное направление на время отказа (резкого снижения качества обслуживания) обработчика.
Для более оперативной отработки событий, связанных с кратковременной перегрузкой приоритетного направления (канала) в способе предложено при поступлении таких локальных данных от блока анализа каналов в блок учета локальной информации совершить определенное количество повторных попыток передать заявку по приоритетному направлению. Количество таких попыток , где m - число каналов (направлений),  - среднее время занятия канала (виртуального соединения) передачей заявки вычисляется процессором в блоке учета локальной информации. В процессоре блока накопления статистических данных рассчитывается γ, как отношение текущих значений загрузки каналов (отношение загрузки одного канала к загрузке другого).
Устройство адаптивного ресурсосберегающего управления потоками информации в распределенной информационной системе в условиях возмущений (фиг. 1) состоит из следующих блоков:
1) блок управления в составе:
- блок формирования матрицы качества обслуживания по данным, полученным с блока оценки качества обслуживания заявок;
- блок формирования плана распределения;
- запоминающее устройство для хранения матрицы качества обслуживания и матрицы вероятностей выбора направления передачи заявок;
- процессор для пересчета элементов матрицы вероятностей выбора направления передачи заявок.
2) блок учета локальной информации с процессором, формирующий интервал времени между двумя последовательными пробами передать заявку на предоставление информации Δt и количество повторных попыток передачи информации по приоритетному направлению (вычисляется в процессоре).
3) блок мониторинга в составе:
- блок мониторинга системы обслуживания заявок, собирающий данные о времени обслуживания обработчиками, загрузке обработчиков и выдающий эти данные в блок оценки качества обслуживания заявок и блок накопления статистических данных;
- блок анализа каналов, производящий анализ загрузки средств (занятости каналов, размера очередей) и оценку времени задержки для каждого исходящего направления, а также времени передачи заявки или сообщения обслуживания заявки и выдающий эти данные в блок накопления статистических данных.
4) блок накопления статистических данных, производящий хранение данных, полученных от блока мониторинга в запоминающем устройстве, вычисляющий отношение текущих значений загрузки каналов и выдающий эти данные в блок учета локальной информации.
5) блок оценки качества обслуживания заявок осуществляющий сравнение данных о состоянии системы обслуживания со средними значениями, получаемыми в обычном состоянии системы, и при значительном отклонении от средних значений выдающий в блок управления эти данные.
6) запоминающее устройство для хранения поступающих заявок.
7) блок распределения, направляющий заявки в соответствии с планом распределения.
Устройство адаптивного ресурсосберегающего управления потоками информации в распределенной информационной системе в условиях возмущений формирует план распределения по этапам (фиг. 2):
- формирует исходную матрицу в блоке формирования плана распределения, отражающую статический план распределения заявок с равновероятным распределением заявок по направлениям (возможно получение плана распределения с другого, не рассматриваемого устройства);
- формирует матрицу качества обслуживания в процессе работы системы обслуживания по результатам блока мониторинга системы обслуживания заявок;
- осуществляет постоянную коррекцию плана распределения на основе статистики обслуживания заявок на получение конкретного вида услуги конкретными обработчиками заявок и периодическую коррекцию по матрице качества обслуживания;
- формирует план распределения с новыми значениями вероятности выбора при отказах обработчиков.
Также устройство вычисляет локальные переменные относительной занятости исходящих направлений (каналов) γ (блок накопления статистических данных) и определяет число повторных попыток (блок учета локальной информации); осуществляет повторную передачу заявки по выбранному первоначально направлению в случае кратковременной загрузки канала; анализирует загрузку обработчиков и каналов;
Адаптивное управление потоками заявок в информационной системе позволяет снижать коэффициент простоя тех обработчиков, где время обслуживания заявки имеет меньшее значение, и уменьшить вероятность направления заявок к обработчикам с низким качеством обслуживания. В результате повышается оперативность обслуживания заявок.
Оценка эффективности предлагаемого способа проводилась путем сравнения времени обслуживания заявок одного из классов информационных услуг при моделировании функций управления для способа-прототипа и при моделировании функций управления для предлагаемого способа. Определим средние времена обслуживания заявок при моделировании для прототипа: а) количества обработчиков, б) процесса формирования матрицы по выражениям способа; в) изменения данных о занятости канала (занят / не занят), времени занятия канала передачей заявки, размера очереди к обработчиков; г) отказов обработчиков высокой и низкой интенсивности и для разработанного способа дополнительно а) процесса формирования матрицы качества обслуживания по данным, полученным с блока оценки качества обслуживания заявок; б) процесса периодической коррекции плана распределения на основе данных блока мониторинга системы обслуживания заявок в случаях отказов либо высокой загруженности каналов.
Пусть средние времена обслуживания заявок для способа-прототипа и для разработанного способа:  и  соответственно. Тогда оценка повышения эффективности заявленного способа:
Подставляя в данное выражение полученные в результате моделирования средние времена обслуживания заявок при низкой интенсивности отказов обработчиков, получим:
Подставляя в данное выражение полученные в результате моделирования средние времена обслуживания заявок при высокой интенсивности отказов обработчиков, получим:
Таким образом, решается задача изобретения.