СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕСУРСАМИ ИНФОКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
INFOCOMMUNICATION SYSTEM RESOURCES CONTROL METHOD

Изобретение относится к области информационных технологий и может быть использовано в инфокоммуникационных системах (ИКС).
Согласно закону «Об информации …» инфокоммуникационная сеть - это технологическая система, предназначенная для передачи по линиям связи информации, доступ к которой осуществляется с использованием средств вычислительной техники.
Одной из основных функций управления инфокоммуникационными системами является функция управления ее ресурсами. В контексте управления ресурсами задача управления службами, предоставляющими услуги инфокоммуникационной системе, является одной из важнейших для обеспечения эффективного функционирования самой системы. На функционирование инфокоммуникационных систем в реальных условиях постоянно воздействуют такие дестабилизирующие факторы, как сбои, отказы, ошибки в программном обеспечении, нарушения систем синхронизации, несовершенство архитектурных и проектных решений, конфликты, тупики, аварийные и веерные отключения систем электропитания, вирусы, атаки «хакеров», «спамы» и др.
Таким образом, возникает техническая проблема, которая заключается в малой эффективности известных служб для управления ресурсами ИКС в случае наличия множества разнотипных ресурсов, запрашиваемых динамически на основе контроля тупиковых ситуаций. Способ управления службами, предоставляющими услуги инфокоммуникационной системе, может быть рассмотрен как способ управления ресурсами ИКС.
Основные услуги служб обеспечиваются различными базовыми или специальными протоколами на основе способов контроля тупиковых ситуаций, положенных в основу так называемого недопущения тупиков при одновременном выполнении нескольких программных процессов. К наиболее распространенным следует отнести способы прерывания процессов, описанных в Трахтенгерц Э.А. «Программное обеспечение параллельных процессов». М., Наука, 1987, 272 с., Дейкстра Э. «Взаимодействие последовательных процессов, в кн. Языки программирования», М., Мир, 1972, с. 3…86, Haberman A.N. Prevention of System deadlocks. - Communications ACM, 1969, vol. 12, N 7, p. 373…377.
Недостатком указанных способов прерывания процессов является то, что в блоке формирования пороговых значений назначение допусков на параметры системы осуществляется без учета ее технического состояния, загрузки каналов связи и буферных устройств узлов коммутации.
Известен также ряд способов контроля тупиковых ситуаций, реализующихся при одновременном выполнении нескольких программных процессов. К наиболее близким и выбранным в качестве прототипа изобретения являются способы прерывания процессов, описанные в патенте RU №2287220 «Система и способ предотвращения тупиковых ситуаций с использованием таймера для высокоскоростного нисходящего пакетного доступа», опубл. 11.10.2006 г.
Известным аналогом изобретения является «Способ динамического контроля тупиковых ситуаций инфокоммуникационной системы и устройство для его осуществления» (патент РФ RU №2502123 от 20.12.2012, опубликованный в бюлл. 35). Технический результат указанного изобретения заключается в повышении эффективности определения тупиковых ситуаций, особенно в случае наличия множества разнотипных ресурсов, при неполной априорной информации о требуемых процессам ресурсах, с учетом атрибутов критических ресурсов - показателей надежности технических, программных ресурсов и размеров буферной памяти узлов инфокоммуникационной системы. Указанный технический результат достигается тем, что определяют значения математического ожидания интенсивности отказов i-го критического технического ресурса, размера зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы, задаются значение временного интервала планируемого выполнения процессов и вычисляют значение коэффициента готовности, сравнивают определенный коэффициент готовности с пороговым уровнем и делают вывод о наличии в инфокоммуникационной системе тупиковых ситуаций.
Несомненным его преимуществом является простота. Недостатком этого способа является то, что он малоэффективен в случае наличия множества разнотипных ресурсов, запрашиваемых динамически, требует частого снятия процессов, что приводит к непроизводительным временным издержкам, а также малую эффективность при возникновении тупиков архитектурного типа, вызываемых множеством разнотипных критических ресурсов с такими атрибутами, как показатели надежности технических и программных ресурсов и размеры буферной памяти узлов системы.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в малой эффективности известных способов управления ресурсами ИКС в случае наличия множества разнотипных ресурсов, запрашиваемых динамически на основе контроля тупиковых ситуаций.
Технический результат изобретения заключается в расширении возможностей технических средств управления ресурсами ИКС для повышения эффективности контроля технических и программных ресурсов в случае наличия множества разнотипных ресурсов и при неполной априорной информации о необходимых для процессов ресурсах, и в целом производительности функционирования вычислительного комплекса, использующего службы передачи и доставки файлов.
В основу предлагаемого способа положена такая последовательность прерывания процесса, запросившего некоторые занятые в момент запроса системные ресурсы, которая прерывает и изымает у него все ресурсы, а после освобождения требуемых ресурсов другими процессами, прерванный процесс вновь активизируется до следующего запроса занятых ресурсов.
Технический результат изобретения достигается распределением разных этапов операций загрузки серверов служб ИКС таким образом, при которых функция качества - линейная функция переменных при выполнении всего комплекса единичных подопераций на всех этапах операции (9) обращалась бы в максимум.
Предложенный способ управления ресурсами инфокоммуникационной системы по организации и управлении типовыми службами ИКС заключается в выполнении следующей последовательности действий:
- определении размещения узлов служб по сетям и узлам ИКС для различных видов операций, исходя из требований устойчивого обеспечения всех пользователей услугами по дистанционному получению, передаче и пересылке файлов и привязке группы пользователей к соответствующим серверам типовой службы;
- проведении процедуры присвоения адресов пользователям служб ИКС;
- расчете основных параметров серверов (число пользовательских и сетевых портов, их пропускной способности, пропускной способности линий привязки, каналов и трактов);
- осуществлении процедуры управления в соответствии со значениями основных параметров серверов.
Основной чертой предоставляемых ИКС информационных или телекоммуникационных услуг является то, что не зависимо от вида услуг, даже для тех, которые предполагают организацию взаимодействия двух разнесенных пользователей, она предоставляется с привлечением соответствующего сервера службы. Узлы служб ИКС обычно размещаются на ее граничных узлах (на пограничных узлах ИКС между сетями доступа и транспортной сетью).
Функционирование каждого типа служб ИКС определяется требованиями, предъявляемыми к услугам данного типа и используемым протоколам, которые построены по типовой схеме клиент-сервер.
Работа служб на пользовательском уровне включает несколько этапов:
- идентификация (ввод имени-идентификатора и пароля);
- выбор каталога;
- определение режима обмена;
- выполнение команд обмена;
- завершение процедуры.
Протокол службы поддерживает две логические связи при организации FTP или SMTP-сессии в ИКС между компьютерами ИКС (фиг. 1), одна из которых предназначена для удаленного доступа, а другая - предназначена для обмена данными.
Сервер производит операцию открытия порта и ждет соединения с клиентом. Клиент осуществляет операцию активизации порта. Канал остается активным до завершения процедуры. При этом тип IP-сервиса соответствует минимуму задержки, так как этот канал используется для ручного ввода команд. Канал для передачи данных (протокол TCP или SMTP) формируется каждый раз для пересылки файлов или писем. Канал открывается перед началом пересылки и закрывается по коду конца файла. Тип IP-сервиса в этом случае ориентирован на максимальную пропускную способность.
Конечный пользователь ИКС взаимодействует с протокольным интерпретатором, в задачи которого входит управление обменом информацией между пользователем и файловой системой, как местной, так и удаленной.
Сначала по запросу пользователя ИКС или прикладного процесса (клиентов службы) формируется канал управления, который в дальнейшем используется для передачи команд от клиента и откликов от сервера. Информационный канал формируется сервером по команде клиента, он не должен существовать постоянно на протяжении всей FTP или SMTP-сессии и может формироваться и ликвидироваться по мере необходимости.
Канал управления может быть закрыт только после завершения информационного обмена. После того как канал сформирован, клиент может посылать по нему команды. Сервер их воспринимает, интерпретирует и передает отклики.
При организации информационного обмена в ИКС между двумя удаленными FTP или SMTP-серверами обмена файлами, когда по инициативе пользователя ИКС осуществляется обмен между двумя серверами FTP (SMTP) (фиг. 2), любая команда обмена выполняется в несколько этапов:
- формирование канала под управлением клиента службы передачи и доставки файлов ИКС;
- выбор клиентом номера порта на своем компьютере и осуществление процедуры «открыть» для этого порта;
- посылка клиентом серверу службы передачи и доставки файлов ИКС номера порта с помощью команды PORT;
- выдача сервером команды в указанный порт ЭВМ-клиента.
Описание команд службы передачи и доставки файлов ИКС приведено в стандарте Совета по архитектуре Internet RFC 959.
Служебные команды унифицированы, пользовательский же набор команд может варьироваться. Процесс функционирования службы передачи и доставки файлов ИКС в силу влияния целого ряда случайных факторов (случайность поступления заявок от пользователей ИКС или прикладных процессов на получение данного сервиса, случайное число самих заявок и т.д.) носит вероятностный характер.
pridn
Пользователь ИКС, обращаясь к службе передачи и доставки файлов, ожидает отклика от ближайшего FTP или SMTP-сервера ИКС в течение случайного времени  При получении положительного отклика происходят процессы идентификации, выбора режима и каталога, которые занимают случайное время t.
pi
pi
FTP или SMTP-клиент службы выдает требуемые команды и получает файлы с помощью протокольного интерпретатора, который управляет обменом информацией между пользователем ИКС и файловой системой (местной и удаленной) службы передачи и доставки файлов или системой почтовых ящиков службы ИКС. Время получения требуемой информации t также является случайной величиной. Оно минимально, если файлы пересылаются из местной файловой системы, и увеличивается при их пересылке по сетям ИКС. Время tтакже зависит и от размера (объема) запрашиваемого файла. Таким образом, суммарное время взаимодействия пользователя ИКС со службой является случайной величиной и равно:
Как правило, пользователи ИКС-клиенты службы передачи и доставки файлов прикрепляется к соответствующему узлу служб, на котором размещен FTP или SMTP-server, обладающий конечной производительностью и имеющий ограниченное количество портов - n. Они обслуживаются сервером, если тот обладает свободным ресурсом, или переходят в режим ожидания. В соответствии с этим в качестве математической модели типовой службы выбрана модель в виде совокупности систем массового обслуживания с ожиданием, каждую из которых, в соответствии с символикой Кендалла, можно задать как систему .
Поток требований на услуги от группы пользователей ИКС является случайным, ординарным с отсутствием последействия.
На практике допустимо считать, что реальный поток обладает такими свойствами, если он формируется наложением частных потоков от независимых источников, когда их число более 8-10. Обычно эти условия полностью выполняются в ИКС.
cc
cc
-1
Основным параметром обслуживания пользователей ИКС является интенсивность обслуживания μ, в первом приближении равная обратной величине среднего значения (математического ожидания) суммарного времени взаимодействия каждого клиента со службой ИКС, т.е. μ=(t).
Состояния компонента типовой службы ИКС во времени для передачи и доставки файлов на узле доступа со стороны группы пользователей ИКС представлен в виде графа (фиг. 3).
На фиг. 3 стрелками показаны интенсивности перехода из одного состояния компонента типовой службы ИКС в другое. Каждое состояние компонента службы характеризуется числом занятых портов сервера службы на уровне приложений. Тогда со стороны группы пользователей ИКС каждый компонент службы ИКС в динамике описан системой стохастических дифференциальных уравнений, задающих вероятности соответствующих состояний:
В установившихся стабильных ситуациях процесс функционирования компонента службы ИКС войдет в некоторый установившийся режим, характеризуемый финальными вероятностями состояний. При этом вероятности того, что все порты сервера компонента службы ИКС свободны, занято ровно k портов, все порты сервера заняты предоставлением услуг службы и s пользователей ИКС ожидают обслуживания, равны соответственно
где:
max
Обычно в любой типовой службе ИКС вводится ограничение времени ожидания начала обслуживания службой (например, время ожидания не должно превышать t), тогда, очевидно, гарантировать это можно только с какой-то вероятностью, равной
где
В этих условиях в процессе функционирования ИКС важным является обеспечение заданной вероятности того, что допустимое время ожидания обслуживания не превысит величины, рассчитываемой исходя из соотношения (6). При этом для заданных величин вероятности (6) и максимально допустимого значения времени ожидания обслуживания, определяются параметры управления, задающие, для необходимого трафика обмена, количественные значения параметров службы парных компонент службы ИКС: число выделяемых портов для каждого сервера типовой службы, закрепленных за определенной группой пользователей ИКС (прикладных процессов КСА) и допустимое значение пропускной способности поддерживаемых защищенных транспортных TCP-соединений для типовой службы. При этом число и пропускная способность поддерживаемых транспортных TCP-соединений не являются ограничением для службы ИКС.
Для отдельных групп пользователей ИКС более важным показателем предоставляемых услуг службы ИКС является среднее время ожидания начала обслуживания каждого требования. В этом случае управление осуществляется по критерию обеспечения заданного значения среднего времени ожидания, не превышающего определенной величины:
gm
В соответствии с определенным значением времени T, при превышении которого будет считаться, что служба ИКС недостаточно оперативна и эффективна, вычисляют число выделяемых портов для каждого сервера типовой службы, закрепленных за определенной группой пользователей ИКС и допустимое значение пропускной способности поддерживаемых защищенных транспортных ТСР-соединений.
При реализации предлагаемого способа число и пропускная способность поддерживаемых сервер типовой службы транспортных ТСР-соединений не являются ограничением для службы ИКС.
cc
pi
В большинстве практических случаев функционирования ИКС объем пересылаемых файлов или писем таков, что время . При этом время t определяется в основном временем t, а интенсивность обслуживания определяется выражением .
pi
poisk
pi
Оценка математического ожидания случайного времени t осуществлена следующим образом. В первом приближении время пересылки файла или письма в службе ИКС определяется временем поиска требуемого документа в базе данных или файловой системе t, его объемом и эффективной скоростью передачи файла по установленному транспортному TCP-соединению. При этом среднее значение времени t определено из выражения:
j
эф
В выражении (8) величины и вероятности с индексом у означают значения соответствующей величины j-го типа, Q - средний объем файла (письма, сообщения обслуживания) j-го типа, V(j) - эффективная скорость передачи по установленному j-му ТСР-соединению.
Таким образом, в заявляемом способе при организации и управлении типовыми службами ИКС выполняются следующие действия (фиг. 4):
- определяются размещение узлов служб по сетям и узлам ИКС для различных видов операций, исходя из требований устойчивого обеспечения всех пользователей ИКС услугами по дистанционному получению, передаче и пересылке файлов или писем, и привязать группы пользователей к соответствующим серверам типовой службы;
- проводятся процедуры присвоения адресов пользователям службы ИКС;
- рассчитываются основные параметры размещаемых серверов (число пользовательских и сетевых портов, их пропускную способность, пропускную способность линий привязки, каналов и трактов);
- осуществляются процедуры управления в соответствии с полученными значениями.
Решение задачи управления ресурсами ИКС в рамках задач управления службами ИКС для двух основных служб: служба ЭП (электронной почты) и служба файлового обмена (ФО) проводится в рамках модели линейного программирования следующим образом.
ЭП
ФО
Пусть в ИКС развернуты служба ЭП, располагающая N серверами ЭП, и служба ФО, располагающая N серверами ФО.
VKS1
VKS2
VKS3
VKS4
Службы участвуют в проведении операции, состоящей из четырех этапов O, O, O, O, причем каждый из серверов может обеспечивать любой из приведенных четырех этапов операции, но, в зависимости от расположения его на определенных узлах ИКС, в разной мере.
VKS1
ЭП
VKS1
VKS2
ЭП
VKS2
VKS3
ЭП
VKS3
VKS4
ЭП
VKS4
Один сервер ЭП может обеспечить определенную долю поддержки каждого этапа операции, выраженную в единичных подоперациях: для первого этапа операции O-Serv(O), для второго этапа операции O-Serv(O), для третьего этапа операции O-Serv(O) и для четвертого этапа операции O-Serv(O).
VKS1
ФО
VKS1
VKS2
ФО
VKS2
VKS3
ФО
VKS3
VKS4
ФО
VKS4
Аналогично, один сервер ФО может обеспечить определенную долю поддержки каждого этапа операции: для операции O-Serv(О), для операции O-Serv(O), для операции O-Serv(O) и для операции O-Serv(О).
1
2
3
4
Каждая единичная подоперация каждого этапа обеспечивает определенный вклад в некоторый показатель качества проведенной операции, причем единичная подоперация первого этапа операции обеспечивает единичное качество с, единичная подоперация второго этапа операции обеспечивает единичное качество с, единичная подоперация третьего этапа операции обеспечивает единичное качество с и единичная подоперация четвертого этапа операции обеспечивает единичное качество с.
1
2
3
4
Для успешного выполнения операции необходимо, чтобы на каждом ее этапе было выполнено: на первом этапе должно быть проведено не менее n единичных подопераций первого этапа, на втором этапе должно быть проведено не менее n единичных подопераций второго этапа, на третьем этапе должно быть проведено не менее n единичных подопераций третьего этапа и на четвертом этапе должно быть проведено не менее n единичных подопераций четвертого этапа.
При управлении службами требуется так распределить загрузку серверов служб ИКС подоперациями разных этапов операции, чтобы качество ее выполнения было максимально.
Для решения этой задачи управления службами ИКС формализуем эту задачу. Для этого введем обозначения:  - число серверов ЭП, занятых осуществлением поддержки выполнения единичных подопераций первого этапа операции,  - число серверов ЭП, занятых осуществлением поддержки выполнения единичных подопераций второго этапа операции,  - число серверов ЭП, занятых осуществлением поддержки выполнения единичных подопераций третьего этапа операции,  - число серверов ЭП, занятых осуществлением поддержки выполнения единичных подопераций четвертого этапа операции,  - число серверов ФО, занятых осуществлением поддержки выполнения единичных подопераций первого этапа операции,  - число серверов ФО, занятых осуществлением поддержки выполнения единичных подопераций второго этапа операции,  - число серверов ФО, занятых осуществлением поддержки выполнения единичных подопераций третьего этапа операции,  - число серверов ФО, занятых осуществлением поддержки выполнения единичных подопераций четвертого этапа операции.
Таким образом, в задаче управления фигурируют восемь переменных (элементов решения): , , , , , , , , которые задаются так, чтобы качество выполнения операции было максимально.
При выполнении всего комплекса единичных подопераций на всех этапах операции показатель качества имеет вид:
При организации управления службами ИКС выбираются такие неотрицательные значения переменных , , , , , , , ,  (х - число серверов, занятых осуществлением поддержки выполнения единичных подопераций первого этапа операции), чтобы функция (9) от них обращалась в максимум.
При этом должны выполняться следующие ограничительные условия, связанные с конечным числом серверов и необходимым количеством проводимых единичных подопераций, т.е.:
ЭП
BKS1
где: Serv(О) - доля поддержки каждого этапа операции, выраженная в единичных подоперациях;
ЭП
N - количество развернутых серверов службы электронной почты;
фо
N - количество развернутых серверов службы файлового обмена.
Таким образом, окончательно задача управления службами ИКС разработанным способом формулируется так: в процессе функционирования ИКС, при выполнении определенной операции, так распределяются ресурсы служб, выделяются соответствующие сервера служб для выполнения единичных подопераций, т.е. задаются значения переменных , , , , , , , , удовлетворяющие линейным неравенствам (10) и (11), при которых функция качества - линейная функция этих переменных (9) обращается в максимум.
Схематично разработанный способ управления ресурсами служб ИКС при выполнении операции изображен на фиг. 4.
Сравнение разработанного способа управления ресурсами служб по среднему числу своевременно проведенных операций с существующим способом проводилось по методике, изложенной в журнале «Т-Comm. Телекоммуникации и транспорт» Том 11, №2 2017 г. стр. 48…50. Результаты сравнения приведены на фиг. 5.
Результаты сравнения разработанного метода управления ресурсами служб ИКС (фиг 5.) показывают существенный рост качественных показателей (в среднем в 2,1-3,2 раза в зависимости от количества серверов в службах) по сравнению с существующими способами не оперативного распределения ресурсов.