авторефераты диссертаций www.z-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

На правах рукописи

НГУЕН ТХОАЙ АНЬ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

МЕЖМОДУЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ В СИСТЕМАХ

ДОСТАВКИ КОНТЕНТА НА ОСНОВЕ СМО С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ

ИНТЕНСИВНОСТЬЮ ОБСЛУЖИВАНИЯ

Специальность: 05.13.11 – Математическое и программное обеспечение

вычислительных машин, комплексов

и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Воронеж 2015

0

Кравец Олег Яковлевич, доктор технических

наук, профессор

Атласов Игорь Викторович, доктор физико-

математических наук, профессор, ФГОУ ВПО

"Воронежский институт Министерства внут-

ренних

дел

Российской

Федерации"

(г.Воронеж), профессор кафедры высшей ма-

тематики

Емельянов Александр Егорович, кандидат

технических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Воро-

нежский государственный университет инже-

нерных технологий», доцент кафедры инфор-

мационных и управляющих систем

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный

университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный техниче-

ский университет».

Защита состоится « 29 » февраля 2016 года в 1300 часов в конференц-зале

на заседании диссертационного совета Д 212.037.01 ФГБОУ ВО «Воронежский

государственный технический университет» по адресу 394026, г. Воронеж, Мос-

ковский просп., д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» и на сайте

http://vorstu.ru.

Автореферат разослан «24» декабря 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

1

Барабанов Владимир Федорович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В рамках распределенных систем, таких как системы доставки контента

(СДК), работают сотни тысяч серверов, расположенных в тысячах дата-центров

по всему миру. Поскольку энергозатраты на содержание такой большой ИТ-

инфраструктуры составляют значительную часть общих операционных расхо-

дов, возможна модификация СДК так, чтобы включить в них энергетическую

оптимизацию в качестве основного принципа.

Представляется возможным создать методы отключения серверов СДК в

периоды низкой загрузки, стремясь сбалансировать три основные цели: макси-

мальную экономию энергии, минимизацию воздействия на воспринимаемую

клиентом доступность сервиса, и ограничение частоты включения-выключения

сервера для уменьшения износа и его влияния на аппаратную надежность.

В данном направлении должны быть созданы рациональные алгоритмы

достижения энергосбережения как на уровне местной балансировки нагрузки в

центре обработки данных, так и глобальной балансировки нагрузки между цен-

трами обработки данных.

В рамках таких систем необходимы интерфейсы межмодульного взаимо-

действия, передающие данные, которые может адаптироваться к уровню загру-

женности транспортной сети (эластичный трафик) и небольшое количество

трафика, который может оказаться неустойчивым к задержкам (неэластичный

трафик). Эластичный трафик контролируется TCP-протоколом, который должен

обеспечивать равномерное распределение полос пропускания между достаточно

длинными потоками при прохождении ими узких каналов связи. Но неэластич-

ный трафик состоит из небольших передач данных, которые слишком малы,

чтобы адаптироваться к уровню загруженности сети. Воздействие неэластично-

го трафика на эластичный выглядит как некоторые небольшие возмущения дос-

тупной полосы пропускания, и такие воздействия необходимо исследовать для

обеспечения рационального распределения нагрузки.

Большие СДК в настоящее время обеспечивают основу распределенной

инфраструктуры. Энергетические затраты на эксплуатацию Интернет-систем

уже составляют значительную часть общей стоимости владения. Сокращение

потребления энергии в СДК - многоплановая проблема, требующая повышения

эффективности энергопотребления центров обработки данных.

Актуальной является задача математического описания систем, потоки и

обработка данных в которых обладают свойством изменяющейся интенсивно-

сти, а также математического и программного обеспечения межмодульного

распределения нагрузки в системах доставки контента.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный техни-

ческий университет» в рамках научного направления «Вычислительные ком-

плексы и проблемно-ориентированные системы управления».

1

Цель работы заключается в разработке математического и программного

обеспечения межмодульного распределения нагрузки в системах доставки кон-

тента на основе систем массового обслуживания с изменяющейся интенсивно-

стью обслуживания.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформули-

рованы следующие задачи:

- определить влияние эластичности потока данных на загрузку каналов

при межмодульном взаимодействии c использованием СМО M/M/1 с изменяю-

щейся во времени интенсивностью обслуживания;

- разработать алгоритмы исследования механизмов распределения нагруз-

ки в неоднородных информационных системах;

- осуществить рационализацию управления в многосерверных информа-

ционных системах средствами балансировки нагрузки;

- провести численные эксперименты по исследованию предложенных ме-

тодов управления с использованием оригинального программного обеспечения.

- разработать программную реализацию мультиагентной системы мони-

торинга состояния системы доставки контента.

Методы исследования. В качестве теоретической и методологической

основы диссертационного исследования использованы методы математического

моделирования, оптимизации, теории вероятностей и математической статисти-

ки, технологии объектно-ориентированного программирования.

Тематика работы соответствует следующим пунктам паспорта специ-

альности 05.13.11: п.9 «Модели, методы, алгоритмы и программная инфра-

структура для организации глобально распределенной обработки данных», п. 10

«Оценка качества, стандартизация и сопровождение программных систем».

Научная новизна. В работе получены следующие результаты, отличаю-

щиеся научной новизной:

- математическая модель взаимодействия эластичных и неэластичных

данных в межмодульных интерфейсах информационных систем, отличающаяся

учетом воздействия небольших изменений интенсивности обслуживания в оче-

реди M/M/1 и обеспечивающая применимость технологии аппроксимации со-

кращенного времени обслуживания;

- алгоритм управления межмодульным интерфейсом, отличающийся уче-

том знака функции возмущений интенсивности обслуживания и обеспечиваю-

щий выравнивание скорости обслуживания неприоритетных данных;

- алгоритм балансировки нагрузки в сетях доставки, отличающийся при-

менением математической модели средств управления и приближающий на-

грузку на компоненты сети доставки контента к равномерной;

- рациональные алгоритмы достижения энергосбережения как на уровне

местной балансировки нагрузки в центре обработки данных, так и глобальной

балансировки нагрузки между центрами обработки данных, обрабатывающие

2

только поступающие нагрузки и обеспечивающие дополнительный резерв про-

изводительности серверов;

- адаптивные методы управления активностью серверов систем доставки

контента, обеспечивающие повышение показателя доступности услуг за счет

выделения оперативного серверного резерва при эвристическом решении мно-

гокритериальной задачи максимальной экономии энергии, минимизации воз-

действия на воспринимаемую клиентом доступность сервиса, и ограничения

частоты включения-выключения сервера.

Практическая значимость заключается в программной реализации муль-

тиагентной системы мониторинга состояния системы доставки контента, с це-

лью оперативного формирования средств управления нагрузкой многосерверных

систем. На элементы программных средств получено свидетельство о государст-

венной регистрации.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований

используются в системе управления информационной системой университет-

ского кампуса (Университет транспорта и коммуникации, г.Ханой, Вьетнам)

для обеспечения регламентных параметров реакции системы на запросы поль-

зователей и управление серверными кластерами.

Основные результаты работы внедрены в учебный процесс Воронежского

государственного технического университета в рамках дисциплин: «Вычисли-

тельные машины, системы и сети», «Информационные сети и телекоммуникаци-

онные технологии», при выполнении курсового и дипломного проектирования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы док-

ладывались и обсуждались на следующих конференциях: XII Международной

научно-практической конференции «Современные инструментальные системы,

информационные технологии и инновации» (Курск, 2015), Международной на-

учно-практической конференции «Advanced models and technologies in computer

networks» (Yelm, WA, USA, 2015),: XX-th Международной открытой научной

конференции «Modern informatization problems in simulation and social technolo-

gies» (Yelm, WA, USA, January 2015), Международной летней научной школе

«Парадигма» (Варна, Болгария, 2015), а также на конференциях профессорско-

преподавательского состава Воронежского государственного технического уни-

верситета (Воронеж, 2014-2015).

Публикации. По теме исследования опубликовано 15 работ, отражающих

основных положения исследования, в т.ч. 4 статьи в журналах, рекомендован-

ных ВАК РФ, свидетельство о регистрации программы в ФИПС. В работах,

опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично со-

искателю принадлежат: в [3, 7, 8] - математическая модель взаимодействия эла-

стичных и неэластичных данных в межмодульных интерфейсах информацион-

ных систем, отличающаяся учетом воздействия небольших изменений интен-

сивности обслуживания в очереди M/M/1; в [14] - алгоритм управления межмо-

дульным интерфейсом, отличающийся учетом знака функции возмущений ин-

3

тенсивности обслуживания; в [4, 6] - алгоритм балансировки нагрузки в сетях

доставки, отличающийся применением математической модели средств управ-

ления; в [1, 2, 9] – рациональные алгоритмы достижения энергосбережения как

на уровне местной балансировки нагрузки в центре обработки данных, так и

глобальной балансировки нагрузки между центрами обработки данных, в [5, 10,

15] - адаптивные методы управления активностью серверов систем доставки

контента, обеспечивающие повышение показателя доступности услуг за счет

выделения оперативного серверного резерва при эвристическом решении мно-

гокритериальной задачи, и их программная реализация.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе-

ния, четырех глав с заключениями и выводами. Работа содержит 138 страниц, 5

таблиц, 26 рисунков. Список использованной литературы включает 152 наиме-

нования.

ОСНОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены

цели и задачи работы, научная новизна, практическая значимость, отмечены ос-

новные результаты исследования, выносимые на защиту; приведены сведения

об апробации работы.

В первой главе описываются проблемы межмодульного распределения

нагрузки в системах доставки контента. Первая часть посвящена доступным в

научной литературе математическим основам распределения нагрузки в

системах доставки контента. Во второй части описываются особенности взаи-

мосвязи систем доставки контента и иих энергетической оптимизации.

Существующие подходы к оценке производительности систем доставки

контента приведены в третьей части главы.

На основании проведенного анализа и обозначенных проблем сформули-

рованы цели и задачи диссертационного исследования, в основе которых лежит

разработка математического и программного обеспечения межмодульного рас-

пределения нагрузки в системах доставки контента на основе систем массового

обслуживания с изменяющейся интенсивностью обслуживания.

Во второй главе проведено исследование влияния эластичности потока

данных при межмодульном взаимодействии c использованием СМО M/M/1 с

изменяющейся во времени интенсивностью обслуживания. Рассматривается ин-

терфейс межмодульного взаимодействия информационных систем, передающий

данные, который может адаптироваться к уровню загруженности транспортной

сети (эластичный трафик) и небольшое количество трафика, который неустой-

чив к задержкам сети (неэластичный трафик). Проблема, рассматриваемая в ра-

боте – определение количественных характеристик, описывающих влияние не-

эластичного трафика на эластичный.

Для построения математической модели введем следующие обозначения

и допущения.

- Z(t) определяет число клиентов в момент времени t в очереди M/M/1, с

4



(

)

ν

+

p(X(0))

+ o(ε),

µ-λ

+

(

)

2

{

}

интенсивностью поступления λ и интенсивностью обслуживания µ, распределе-

но геометрически с параметром ρ=λ/µ.

- Zε(t) означает число клиентов во время t в очереди M/M/1 с изменяю-

щейся во времени интенсивностью обработки.

- Интенсивность обслуживания очереди M/M/1 во время t равна

µ+εp(X(t)) для некоторой функции p, где (X(t)) есть процесс, описывающий

окружение, влияющее на интенсивность обслуживания;

- B означает продолжительность обслуживания для одного клиента. Из-

вестно, что Z(0)=1, B = inf s ≥ 0: Z(s) = 0.

- Bε

означает продолжительность периода занятости, начинающегося с

одного клиента, учитывая, что Zε =1: Bε = inf s ≥ 0: Zε (s) = 0.

Рассматривается очередь M/M/1, интенсивность обслуживания которой

определяется как функция от некоторого процесса (X(t)), который берет значе-

ния из некоторого пространства S.

Основная идея анализа возмущений состоит в том, чтобы связать периоды

занятости для процессов (Z(t)) и (Zε(t)) при условии, что процесс прибытия для

обоих очередей - Nλ. Введем в рассмотрение следующие два вида отправлений.

Определение 1. Точки из N+, 0 t1 ≤ t2 ≤... ≤ t+ ≤..., называются добав-

ляемыми отправлениями, если N+ - неоднородный Пуассоновский процесс с па-

b

раметром ε

(X(s))ds., интенсивность которого задается как t →εp+(X(t)).

{

}

{

}

+

+

n

+

∫p

a

Определение 2. Компенсирующими отправлениями называются точки

дискретного процесса N-, полученного прореживанием дискретного процесса

Nμ, обозначенные как 0 t1 ≤ t- ≤... ≤ tn ≤... для x0, которые определяются из

(t1 ≥ x) =

(1)

где (si) есть точки дискретного процесса Nμ.

Предположим, что период занятости для одного клиента начинается в мо-

мент времени 0 в S-Очереди и P-Очереди. Определим первый член степенного

ряда по ε, для ожидаемого значения Bε, означающего продолжительность пе-

риода занятости для P-очереди. Для этого приведем следующие леммы, которые

были доказаны в диссертации.

Утверждение 1. В случае одиночного отправления

(B - Bε )

(2)

t1 B

где ν есть равновесное распределение окружения (X(t)).

5

-

-

2

εp-(X(si )) 

1- µ



Nµ ([0,x])

i=1



,



-

+

+

-

-

2

Α+

2

Α+

1

µ

v

0

(5)

Ni

Ai

∑∑

j

i=1 j=1

H

-

p+ (X(u))p-(X(D ))du

0





1

µ2 (1-ρ)

Для завершения анализа, получим выражения для

((Bε - B)

) и

((Bε - B)

). В расчетах удобнее рассматривать сумму обоих членов и тогда

получим следующий результат:

Утверждение 5. Коэффициент

в выражении

((Bε - B)) при ус-

ловии ε0 задается следующим образом





a- =



(6)

где N, D1,..., DN и N/, D,..., D/

означает число отбытий и времена отбытий

на протяжении периодов занятости длиной B и B1, соответственно.

Обобщая результаты, полученные в этом разделе, можно сформулировать

следующее утверждение.

6

Α±

Α-

2

Α±∪Α-

N

i

B+Bi

- 

0

Ai

+







i=1

N

N'

∑∑

k

i=1 k=1



/

1N/

p-(X(D))p+(X(s))ds +

1

1

µ

µ2(1-ρ)

p-(X(0))p-(X(B - Di + D' ))



0

(

) (

)

1

(

)

µ-λ

(µ-λ)2

ν

( )

Утверждение 2. В случае единственного компенсирующего отправления

p-(X(0))

(

)

(µ-λ)2

ν

(Bε - B)

=ε+ o(ε).

(3)

1

Отсюда вытекает следующее утверждение.

Утверждение 3 (Выражение первого порядка).

p(X(0))

Bε =

-ε+ o(ε).

(4)

Уравнение (4) соответствует аппроксимации сокращенного времени об-

служивания (RSR).

Далее вычислим коэффициент ε2 для среднего периода занятости

(Bε).

Так же как и для первого порядка, этот коэффициент связан с тем, что происхо-

дит два дополнительных перехода за время периода занятости очереди M/M/1 с

возмущениями. Для этого нужно рассмотреть различные возможные располо-

жения точек t1, t2 и t1, t2. Мы можем вычислить коэффициент

степенного

ряда

((Bε - B)

) по ε.

Утверждение 4. Коэффициент

в выражении

((Bε - B)

) при усло-

вии ε0 задается следующим образом:

B

a+ =-

(

(B - v)

(p+(X(0))p+(X(v)))dv) -

-

(

)

{t B}

2

Утверждение 6. Коэффициент

есть разложение в степенной ряд выра-

жения

(Bε - B) по ε и он эквивалентен разнице a- - a+, где коэффициенты a+

и a- задаются уравнениями (5) и (6), соответственно.

Выражения (2)-(6) и представляют собой математическую модель взаимо-

действия эластичных и неэластичных данных в межмодульных интерфейсах

информационных систем.

Далее рассматривается специфика управления межмодульным интерфей-

сом в зависимости от знака функции возмущения. В работе было получено сле-

дующее разложение

(B - Bε) :

(B - Bε) =δε+δ2ε2 +ο(ε2 ),

(7)

B

где δ1 =

(p(X(0)))/(µ-λ)2 и δ2 =-

(

(B - v)

p(X(0))p(X(v)))dv).

µ

Введем в рассмотрение функцию, описывающую ковариацию дополни-

тельной емкости:

Cp(u) =

[p(X(0))p(X(u))]-

[p(X(0))]2.

(8)

Следующее выражение дает замкнутую форму выражения второго члена

разложения (7), когда окружение имеет экспоненциальный спад.

Утверждение 7. Когда корреляционная функция окружающей среды экс-

поненциально убывает, то есть когда для некоторого α0,

Cp (x) = Var[p(X(0))]e-ax,x ≥ 0,

Тогда разница между сокращенным временем обслуживания и изменяю-

щимся временем обслуживания удовлетворяет отношению

ˆ

1

1

v

v

vv

0

lim

1Var[p(X(0))]

ˆ

(B - Bε)

∆2(a) =

(e-aZ) ≤ 0,

(9)

ε→ 0 ε2

(µ-λ)3

где Z есть случайная величина, интенсивность которой на

задается как

+∞

x →

(B ≥ u)du.

+

1

µ(1- p)2

x

В частности, функция a → ∆2(a) неубывающая и вогнутая.

Далее рассматривается случай, когда функция возмущений отрицательна, и

таким образом окружение использует часть емкости очереди M/M/1 с постоянной

скоростью обслуживания

. Это продиктовано необходимостью исследования

случая, когда при взаимодействии эластичного и неэластичного трафика в сети, в

буфере маршрутизатора приоритет отдается неэластичному трафику.

В частности, получено выражение, позволяющее сравнить сравнивает

продолжительность периода занятости P-очереди со средней длиной периода

занятости B в очереди M/M/1 со скоростью обслуживания µ+ε

[p(X(0))].

Утверждение 8. (сравнение с сокращенным временем обслуживания). Ес-

7

ˆ

v

ˆ

ли B есть длительность периода занятости для очереди M/M/1 со скоростью об-

служивания µ+ε

[p(X(0))], то

v

N

N'

∑∑С (X(B -

Di

+

D'k

))

i=1 k=1

(

) (

)

lim

11



ˆ

(B - Bε) =-

(10)

p

ε→ 0 ε2

µ3(1- p)

/

1N/

где, так же как и в уравнении (16), N,D1,...,DN и N/,D,...,D/

означает ко-

личество отбытий и моменты времени отбытий для периода занятости продол-

жительностью B и B1, соответственно, и для u≥0,

Cp(u) =

[p(X(0))p(X(u))]-

[p(X(0))]2

есть, с точностью до

, функция ковариации емкости для очереди с возмуще-

ниями.

Этот означает, что, как и для неотрицательной функции возмущения, из-

менение скорости обслуживания оказывает негативное влияние на производи-

тельность системы. Таким образом, следует следующий результат.

Утверждение 9 (Негативное влияние изменения скорости обслуживания).

Когда окружение коррелирует положительно (функция u Cp(u) неотрица-

тельна), первый член разложения (B - B ) по ε имеет порядок 2 и отрицателен.

Совокупность утверждений 7, 8 и 9 представляет собой алгоритм управле-

ния межмодульным интерфейсом, учитывающий знак функции возмущений p.

Таким образом:

- построена математическая модель взаимодействия эластичных и не-

эластичных данных в межмодульных интерфейсах информационных систем,

отличающаяся учетом воздействия небольших изменений интенсивности об-

служивания в очереди M/M/1 и обеспечивающая применимость технологии ап-

проксимации сокращенного времени обслуживания;

- разработан алгоритм управления межмодульным интерфейсом, отли-

чающийся учетом знака функции возмущений интенсивности обслуживания и

обеспечивающий выравнивание скорости обслуживания неприоритетных данных.

Третья глава посвящена алгоритмизации исследования механизмов рас-

пределения нагрузки в неоднородных информационных системах.

Множество серверов сети делится на два типа: информационные серверы,

непосредственно занимающиеся обработкой клиентских запросов, и так назы-

ваемый демон серверов, занимающийся распределением потока поступающих

заявок от клиентов между серверами. На каждом из информационных серверов

находится агент. Демон серверов выполняет сбор информации о каждом из ин-

формационных серверов и принимает дальнейшие решения по управлению вхо-

дящим потоком заявок. На каждом информационном сервере находится агент

загрузки сервера, моделирующий загрузку сервера в зависимости от количества

поступающих на него клиентских запросов и передающий результаты своей ра-

боты агенту сервера. Схематично работа серверной сети отображена на рис. 1.

8

vv

2

~

ˆ

Рис. 1. Схема работы системы распределения нагрузки

Модуль распределения нагрузки работает по следующему принципу. По-

сле формирования таблицы загрузки, происходит оценка работы системы.

Оценкой работы системы занимается модуль анализатора состояния. Показате-

лем общей производительности системы служит общее время нахождения заяв-

ки в ней. В качестве оценки эффективности распределения нагрузки и произво-

дительности системы служит вероятность возникновения очереди в системе.

После формирования таблицы загрузки, модуль анализа состояния системы

принимает решение по наиболее рациональному распределению заявок между

серверами. На рис. 2 представлена общая логика работы демона серверов.

В асинхронном режиме работы демон серверов получает информацию от

агентов информационных серверов через равные промежутки времени. Если по

прошествии определённого количества времени (так называемое время таймау-

та) от агента не поступала информация о работе сервера, этому серверу в табли-

це приоритетов назначается соответственно стопроцентная загрузка, и он не

участвует в рейтинге распределения нагрузки до тех пор, пока от агента на этом

сервере снова не начнёт поступать информация. Асинхронный режим работы

демона серверов отображён на рис. 3.

9

Рис. 2. Логика работы демона серверов

Рис. 3. Схема асинхронной работы демона серверов

После распределения нагрузки демон серверов переходит к распределению

нагрузки заявок на следующий тип информации в сети. После того, как инфор-

мация распределена на все типы информации, демон серверов переходит к ожи-

данию следующего цикла распределения, параллельно выполняя сбор и анализ

статистики производительности информационных серверов распределённой

серверной сети. Описаны механизмы работы агентов серверов, загрузки. Итак,

- разработан механизм обмена данными модулей распределенной ин-

формационной системы. Описаны технологии межмодульного взаимодействия

между клиентами и серверами, демонами и информационными серверами.

- предложены и исследованы средства межмодульного взаимодействия

системы доставки контента. Разработаны инструменты потоковой реконфигу-

10

рации потоков в системе доставки контента: адаптация к произвольной распре-

деляющей функции; динамическая приоритизация серверов; потенциальное

включение средств прогнозирования.

- создан алгоритм балансировки контента в сетях доставки, отличаю-

щийся применением математической модели средств управления и прибли-

жающий нагрузку на компоненты сети доставки контента к равномерной.

- обоснована структура и предложены алгоритмы функционирования

мультиагентной распределенной системы, обеспечивающие отказоустойчивость

управления информационной системой и отличающиеся наличием подсистемы

краткосрочного прогнозирования состояния.

В четвертой главе рассмотрены задачи рационализации управления мно-

госерверными информационными системами средствами балансировки нагрузки.

Основным фактором балансировки нагрузки системы, определяющим ис-

пользование энергии, является количество серверов, которые должны остаться в

рабочем режиме (т.е. включенными) в каждый момент времени, чтобы эффек-

тивно обслуживать поступающую нагрузку.

Разработанный алгоритм TempSleep использует два параметра: резервное

пороговое значение мощности 0k1 и порог времени τ0. Алгоритм управляет

пулом серверов, которые считаются "запасными" в том смысле, что они нахо-

дятся вне основного множества серверов, которое необходимо для обслужива-

ния текущего трафика. Запасные серверы можно представить в качестве буфера,

чтобы помочь сгладить и обработать непредсказуемые скачки трафика в буду-

щем. Предположим, что серверы в кластере пронумерованы от 1 до M; первые

mt серверов работают в момент t, а остальные серверы отключены. В каждый

момент времени t алгоритм выполняет следующие действия.

Обслуживается текущая нагрузка λt, используя текущий набор действую-

щих серверов mt. Если λtmt, то пропускная способность кластера недостаточна

для обслуживания входящей нагрузки. В этом случае объем нагрузки λt-mt сни-

мается и оставшаяся нагрузка обслуживается.

Количество серверов, которые считаются необходимыми, чтобы обрабаты-

вать нагрузку при λt/Λ, где Λ – порог целевой нагрузки CDN.

Если mtλt/Λ, то серверы с номерами от λt/Λ+1 до mt выбраны в качестве

"запасных". Запасные серверы управляются в соответствии с двумя следующи-

ми правилами:

Правило запасной емкости: цель – зарезервировать по крайней мере кМ

серверов в качестве запасных, где 0к1. В частности, если число запасных сер-

веров mt–λt/Λ меньше, чем кМ, то вернуться к mt–λt/Λ–кМ серверам. Необходи-

мо учесть, что серверы, включенные в момент времени t, будут обрабатывать

нагрузку только в момент t + 1.

Правило спящего режима: если сервер был выбран как запасной в каж-

дом из последних моментов времени t, он является кандидатом для выключе-

ния, подобно тому, как ноутбук переходит в спящий режим после определенно-

11

го периода бездействия. Однако, это правило применяется к серверам только

при избытке свободных мощностей. Если mt–λt/ΛкМ, то необходимо прове-

рить серверы с номерами от λt/ΛкМ+1 до mt и выключить каждый сервер, ко-

торый был отмечен в качестве запасного в последний момент времени t.

Далее рассматривается близкий к оптимальному локальный алгоритм рас-

пределения нагрузки (ЛАРН). Алгоритм создает расписание mt, 1≤t≤n, которое

может работать при входной нагрузке с наименьшим энергопотреблением.

Строится двумерная матрица E(t,m), которая отражает минимальную энергию,

необходимую для того, чтобы создать последовательность λ1,λ2,…,λt, пока не

будут исчерпаны m работающих серверов в момент времени t. Пусть алгоритм

начинается с нулевого момента времени, и M серверов в рабочем состоянии.

Т.е. E(0,m)=0, если m=M и E(0,m)=+∞, если m≠M. По индукции вычисляются

все элементы матрицы с использованием следующей формулы:

0≤m′≤M

-1,m) +δm ⋅power(λt / m) +

+∞,впротивномслучае

Когда матрица заполнится, наиболее рациональному решению будет соот-

ветствовать значение E(n,m) такое, что

E(n,m) = min{E(n,s).

0≤s≤M

Утверждение 10. Алгоритм ЛАРН порождает близкое к оптимальному ре-

шение для балансировки нагрузки с минимальным потреблением энергии за

время O(nM2) и требует O(nM) памяти, где n - число интервалов времени, а M-

число серверов в кластере.

Поскольку необходимо установить, какое сокращение потребления энергии

возможно, если доступно только небольшое ограниченное число серверных пе-

реходов, разработан алгоритм ЛАРН(k), который сводит к минимуму потреб-

ляемую энергию при сохранении общего количества серверных переходов с

максимальным числом k.

Утверждение 11. Алгоритм ЛАРН(k) дает близкое к оптимальному реше-

ние с наименьшей энергией и не более чем k серверными переходами. Трудоем-

кость работы ЛАРН(k) для любого 0≤k≤K есть O(nM2K), оценка требуемой па-

мяти O(nmК).

Алгоритмы ЛАРН исследованы с типовым порогом нагрузки Λ=75% на

доступном массиве нагрузки СДК, который охватывает 22 географически рас-

пределенных кластера большой СДК в течение 25 дней. На рис. 4 показана доля

кластеров, которые достигли по крайней мере x% сокращения потребления

энергии, для каждого значения 0≤x≤100. Для каждого из 22 кластеров, ЛАРН

обеспечивает сокращение потребления энергии от 50% до 87%. Системное (все

кластеры рассматриваются как единая система) сокращение потребления энер-

гии с помощью ЛАРН составило 64,2%.

12

min{E(t

E(t,m) =+α⋅ m - m},если λt ≤Λm;

(11)

Также важно, что алгоритмы ЛАРН и ЛАРН(k) справляются с любой на-

грузкой и обеспечивают полностью заданный уровень обслуживания клиентов,

поскольку они являются алгоритмами автономного режима с полным знанием

всей последовательности загрузки кластеров.

Данные получены с использованием модернизированной программной

реализаци мультиагентной системы мониторинга состояния системы доставки

контента Zabbix (структура приведена на рис. 5).

Рис. 4. Сокращение потребления энергии в автономном режиме. В среднем

по кластеру получено до 60% сокращения

Рис. 5. Архитектура Zabbix

Программный модуль аудита аппаратного обеспечения в составе агента ра-

ботает с библиотекой классов WMI. При помощи языка запросов Windows

(WQL) производится запрос к серверу. Результатом запроса является текущее

13

значение состояния параметров устройства. Общая архитектура программной

системы мониторинга представлена на рис. 6.

Рис. 6. Общая архитектура системы мониторинга

Таким образом:

- предложены рациональные алгоритмы достижения энергосбережения

как на уровне местной балансировки нагрузки в центре обработки данных, так и

глобальной балансировки нагрузки между центрами обработки данных, обраба-

тывающие только поступающие нагрузки и обеспечивающие дополнительный

резерв производительности серверов;

- разработаны адаптивные методы управления активностью серверов

систем доставки контента, обеспечивающие повышение показателя доступности

услуг за счет выделения оперативного серверного резерва при эвристическом

решении многокритериальной задачи максимальной экономии энергии, мини-

мизации воздействия на воспринимаемую клиентом доступность сервиса, и ог-

раничения частоты включения-выключения сервера;

- показано, что можно уменьшить потребление энергии систем доставки

контента, обеспечив высокий уровень доступности, отвечающий клиентским

требованиями и включающий в среднем один переход состояния сервера в день.

Содержание 10% серверов в качестве оперативного резерва обеспечивает ком-

пенсацию пиков нагрузок без влияния на клиентскую доступность услуг.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Создана математическая модель взаимодействия эластичных и неэла-

стичных данных в межмодульных интерфейсах информационных систем, обес-

14

печивающая применимость технологии аппроксимации сокращенного времени

обслуживания.

2. Разработан алгоритм управления межмодульным интерфейсом, обес-

печивающий выравнивание скорости обслуживания неприоритетных данных.

3. Разработан алгоритм балансировки нагрузки в сетях доставки, при-

ближающий нагрузку на компоненты сети доставки контента к равномерной.

4. Предложены рациональные алгоритмы достижения энергосбережения

как на уровне местной балансировки нагрузки в центре обработки данных, так и

глобальной балансировки нагрузки между центрами обработки данных, обеспе-

чивающие дополнительный резерв производительности серверов.

5. Созданы адаптивные методы управления активностью серверов систем

доставки контента, обеспечивающие повышение показателя доступности услуг.

6. Осуществлена программная реализации мультиагентной системы мо-

ниторинга состояния системы доставки контента, с целью оперативного инфор-

мирования средств управления нагрузкой многосерверных систем. На элементы

программных средств получено свидетельство о государственной регистрации.

7. Результаты исследований используются в системе управления инфор-

мационной системой университетского кампуса (Университет транспорта и ком-

муникации, г.Ханой, Вьетнам) для обеспечения регламентных параметров реак-

ции системы на запросы пользователей и управления серверными кластерами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Нгуен Тхоай Ань, Кравец О.Я. Оптимизация энергопотребления многосер-

верных информационных систем средствами балансировки нагрузки// Экономика и

менеджмент систем управления, №4.2(14), 2014. – С. 285-291.

2. Нгуен Тхоай Ань, Кравец О.Я. Алгоритмы и структуры данных агентов ин-

формационных серверов распределенной системы мониторинга// Системы управления

и информационные технологии, №4(62), 2015. – С. 47-51.

3. Нгуен Тхоай Ань, Кравец О.Я. Исследование очереди M/M/1 для определе-

ния влияния эластичного потока данных при межмодульном взаимодействии// Вест-

ник Воронежского государственного технического университета. Т. 11, № 3, 2015. С.

76-81.

4. Нгуен Тхоай Ань, Хоанг Жанг, Кравец О.Я. Особенности измерения произ-

водительности и балансировки нагрузки многосерверных информационных систем в

реальном масштабе времени// Экономика и менеджмент систем управления, №1.1(15),

2015. – С. 156-162.

Свидетельства на программу для электронных вычислительных машин

5. Локтева М.В., Кравец О.Я., Нгуен Тхоай Ань, Тхай Фыонг Чук, Чудинова

К.В. Система мониторинга и управления состоянием распределенной информацион-

ной системы. - Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

М.: ФИПС, 2015. № 2015660858 от 12.10.2015.

15

Статьи и материалы конференций

6. Нгуен Тхоай Ань, Кравец О.Я. К идее специализированной балансировки

нагрузки межмодульных соединений в системах обработки контента// Информацион-

ные технологии моделирования и управления, №6(90), 2014. – С. 497-504.

7. Nguyen Thoai An. Investigation of systems with nonstationary parameters of

M/M/1 queue// Modeling and Information Technologies: Selected Papers of the Interna-

tional Scientific School "Paradigma" (Summer-2015, Varna, Bulgaria). - Yelm, WA, USA:

Science Book Publishing House, 2015. – P. 88-98.

8. Нгуен Тхоай Ань, Кравец О.Я. Идентификация параметров нестационарных

очередей СМО с возмущениями// Информационные технологии моделирования и

управления, №5(95), 2015. – С. 435-447.

9. Нгуен Тхоай Ань, Хоанг Жанг, Кравец О.Я. Классификация параметров

энергоэффективности программных приложений при экспериментальном исследова-

нии методов балансировки нагрузки многосерверных информационных систем// Ин-

формационные технологии моделирования и управления, №1(91), 2015. – С. 81-88.

10. Нгуен Тхоай Ань, Кравец О.Я. Численные эксперименты по исследованию

эффективности механизмов глобальной балансировки нагрузки в системах доставки

контента// Современные инструментальные системы, информационные технологии и

инновации: сб. науч. тр. XII Междунар. НПК; в 4-х т., Т. 3. - Курск, 2015. С. 212-216.

11. Нгуен Тхоай Ань. Анализ слабых возмущений очереди M/M/1 с изменяю-

щейся интенсивностью обслуживания// Информационные технологии моделирования

и управления, №2(92), 2015. – С. 181-191.

12. Нгуен Тхоай Ань. Изучение систем с нестационарными параметрами очере-

ди M/M/1// Международна научна школа "Парадигма". Лято-2015. В 8 т. Т.1: Модели-

ране на системи и процеси: сборник научни стати / под ред. С.Л. Блюмина. – Варна:

ЦНИИ «Парадигма», 2015. – С. 196-207.

13. Нгуен Тхоай Ань. Исследование механизмов распределения нагрузки в не-

однородных информационных системах// Информационные технологии моделирова-

ния и управления, №4(94), 2015. – С. 336-347.

14. Nguen Thoai An’, Kravets O.Ja. To a problem definition of multicriteria

optimization balancing of information systems intermodular connections loading// Modern

informatization problems in simulation and social technologies: Proceedings of the XX-th

International Open Science Conference (Yelm, WA, USA, January 2015)/ Editor in Chief

Dr. Sci., Prof. O.Ja. Kravets. - Yelm, WA, USA: Science Book Publishing House, 2015. – P.

177-185.

15. Кравец О.Я., Нгуен Тхоай Ань. Особенности проектирования и функциони-

рования пакета программ распределения нагрузки// Информационные технологии мо-

делирования и управления, №5(95), 2015. – С. 468-482.

Подписано в печать 21.12.2015.

Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 0000

ООО «Цифровая полиграфия»

394036, Россия, г. Воронеж, ул. Ф. Энгельса, 52

16



 
Похожие работы:

«ГОЛОВКО Юрий Евгеньевич ОРИЕНТИРОВАННАЯ БИБЛИОТЕКА КРИТИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ РАСЧЕТНОГО ПРЕДСКАЗАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЯДЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ Специальность 05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ОБНИНСК 2015 Работа выполнена в АО Государственный научный центр Российской Федерации – Физико–энергетический институт имени...»

«БРАТКОВ ИЛЬЯ ВИКТОРОВИЧ РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ОКИСЛЕННЫХ ПРИРОДНЫХ И МОДИФИЦИРОВАННЫХ ГРАФИТОВ Специальность 05.17.03 Технология электрохимических процессов и защита от коррозии АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Иваново 2015 Федерального государственного профессионального образования университет. Научный руководитель: бюджетного образовательного учреждения высшего Ивановский...»

«Синица Евгения Александровна ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ САМОЭМУЛЬГИРУЮЩИХСЯ СИСТЕМ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ И РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКОЙ 05.17.08 Процессы и аппараты химических технологий АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2015 Работа выполнена на кафедре кибернетики химико-технологических процессов Российском химико-технологическом университете имени Д.И. Менделеева Научный руководитель: доктор технических наук,...»





 
© 2015 www.z-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.