Резервирование программных модулей и информационных массивов в сетях ЭВМ

Сети ЭВМ являются важным фактором выполнения задач в области развития науки, ускорения научно-технического прогресса, совершенствования управления и повышения эффективности во всех сферах народного хозяйства, определенных ХХУ1 съездом КПСС в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года». Именно поэтому в решениях съезда была отмечена необходимость дальнейшего повышения эффективности и развития «. сети автоматизированных систем управления и вычислительных центров коллективного пользования.», что обусловливает особую актуальность воцросов проектирования и создания сетей ЭВМ в нашей стране.

Актуальность. Широкое использование средств вычислительной техники в различных отраслях народного хозяйства страны и интенсивное развитие работ по проектированию и практической реализации сетей ЭВМ обусловливает повышенные требования к надежности сетей ЭВМ, определяющей качество и эффективность функционирования созданных на их основе АСУ и систем обработки данных различного класса и назначения. Особую значимость поэтому приобретает задача обеспечения высокой надежности сетей ЭВМ как путем построения надежных сетей передачи данных, объединяющих отдельные ЭВМ в единую систему, так и повышением надежности информационного и программного обеспечения сетей ЭВМ. Эффективным методом решения данной задачи является обеспечение высокого уровня сохранности информации путем резервирования программных модулей (ПМ) и информационных массивов (ИМ), что подтверждает актуальность выполненных в работе исследований.

Цель работы. Целью научных исследований, выполненных в диссертационной работе, является исследование с единых методологических позиций проблем и разработка методов резервирования ПМ и ИМ в сетях ЭВМразработка формализованных моделей анализа и определения характеристик существующих систем резервирования и выбора оптимальных методов резервирования модулей и массивоввыработка рекомендаций по црактическому использованию цредложенных моделей и методов на этапах технического и рабочего проектирования сетей ЭВМ, а также при их эксплуатации.

Научная новизна. В работе цредложена единая методология решения задач повышения сохранности программного и информационного обеспечения сетей ЭВМ, основанная на формальном анализе возможных методов резервирования ИМ и ПМ в вычислительных сетях. Данная методология позволяет выполнить расчет и анализ основных характеристик стратегий резервирования ИМ и ПМ, а также возможных дисциплин обработки зацросов к резервируемым модулям и массивамвыбрать оптимальную стратегию, объем и размещение по узлам сети оперативного резерва (ОР) ИМ и ПМ, предназначенного для обработки запросов пользователей, при использовании различных критериев оптимизацииоцре-делить оптимальную стратегию, объем и размещение по узлам сети восстановительного резерва модулей и массивов, предназначенного для восстановления разрушенного оперативного резерва ИМ и ПМвыполнить анализ влияния размещения в узлах сети резерва ИМ и ПМ на показатели надежности сети ЭВМ.

Разработайте модели позволяют учитывать особенности использования методов резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ, заключающиеся в том, что в вычислительных сетях: можно использовать централизованное, децентрализованное и динамическое хранение резервавозможно применение нескольких дисциплин обработки поступающих запросов к ИМ и ПМпри анализе и выборе оптимальных стратегий и дисциплин необходимо учитывать надежностные, стоимостные и временные характеристики каналов связи и ЭВМ сети, топологию сети, задержку сообщений и т. д.- возможно использование различных вариантов восстановительного резервирования ИМ и ПМ.

Формализованные модели и методы расчета и анализа характеристик стратегий резервирования модулей и массивов, выбора методов резервщювания и дисциплин обработки запросов в сетях ЭВМ, оптимальных по различным критериям, впервые разработаны и опубликованы автором либо являются развитием известных методов повышения сохранности информации, расширяющим область их использования и учитывающим особенности применения этих методов в сетях ЭВМ.

Практическая ценность. Разработанные модели и методы оптимального резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ позволяют повысить надежность функционирования АСУ и систем обработки данных различного класса и назначения, построенных на базе вычислительных сетей, за счет повышения сохранности их информационного и программного обеспечения, и получать значительный экономический эффект из-за снижения уровня потерь в системе от разрушения ИМ и ПМ.

Внедрение. Разработанные модели и методы оптимального резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ использовались при техническом ж рабочем проектировании вычислительной сети АСУ предцриятиями территориально-промышленного комплекса электротехнической промышленности Молдавской ССР, при проведении НИР «Прометей-2» Министерства радиоцромышленности СССР, создании первой очереди АСУ МГС «Метро» и позволили получить значительный технико-эксплуатационный эффект за счет повышения сохранности црограммного и информационного обеспечения и рационального использования ресурсов вычислительной техники и средств связи.

Содержание работы. В первой главе рассмотрены особенности и показана целесообразность использования в сетях ЭВМ методов резервирования ИМ и ПМ, как эффективного способа повышения сохранности и защиты информационного и црограммного обеспечения от основных разрушающих модули и массивы факторов.

Выполнен анализ зависимости распределения резерва ИМ и ПМ по узлам сети ЭВМ от ее параметров.

Приведены основные характеристики используемых в настоящее время в различных системах обработки данных стратегий резервирования ИМ и ПМ. С учетом особенностей их использования в сетях ЭВМ сформулированы наиболее важные задачи оптимизации резервирования модулей и массивов, которые необходимо решить для сетей ЭВМ.

Во второй главе с учетом выявленных основных вариантов хранения резерва и возможных дисциплин обработки запросов получены аналитические выражения для расчета вероятностных, временных и стоимостных характеристик стратегий резервирования, на основе которых цроведено сравнение их эффективности по данным характеристикам для различных режимов функционирования сети ЭВМ. Аналогичное сравнение проведено дал дисциплин обработки запросов в случае однородной и полносвязной сети ЭВМ. Сформулирован ряд задач оптимального по различным критериям резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ. Показана зависимость распределения резерва по узлам сети ЭВМ от интенсивнос-тей запросов к ИМ и ПМ.

Рассмотрены задачи оптимального резервирования взаимосвязанных массивов и модулей.

В третьей главе рассмотрены методы восстановительного резервирования ПМ и ИМ в сетях ЭВМ, предназначенного для восстановления разрушенного ОР и уменьшающего вероятность полной потери информации в результате ее разрушения.

В сетях ЭВМ в качестве восстановительного резерва возможно использование как неразрушенного ОР, так и специального резерва из оригиналов и дубликатов ИМ и ПМ — архива магнитных носителей (АМН). С учетом этой особенности сетей получены аналитические выражения для расчета характеристик и выполнен анализ эффективности двух стратегий восстановления разрушенного ОР. Сформулированы задачи оптимального по различным 1фитериям восстановительного резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ, поставлены и решены задачи оптимизации схемы восстановления ОР. Получены условия целесообразности использования АМН в сетях ЭВМ.

В четвертой главе анализируется влияние методов резервирования ИМ и ПМ на показатели надежности сетей ЭВМ. Рассмотрены случаи использования в сети ЭВМ только ОРОР и восстановительного резерва в виде АМНОР и безотказных АМН, а также использования неразрушенного ОР в качестве восстановительного резерва.

С учетом особенностей функционирования систем реального времени, построенных на базе сетей ЭВМ, рассматриваются задачи оптимизации резервирования ИМ и ПМ по критерию максимума коэффициента готовности таких систем.

В приложениях, А и В сформулирован и доказан ряд теорем, позволяющих уменьшить вычислительную сложность задач оптимального оперативного резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ по критерию минимума стоимостных затрат на хранение резерва и обработку зацросов (цриложение А) и задач оптимального восстановительного резервирования в вычислительных сетях по критерию минимума стоимости хранения АМН и восстановления разрушенного ОР (цриложение В). На кошфетном цримере показано, что в ряде случаев доказанные теоремы позволяют получить точное решение данных задач.

В приложении С описан алгоритм решения задач оптимального резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ. Приведены результаты работы предложенного алгоритма при решении конкретной задачи оптимизации резервирования ИМ в вычислительной сети.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на Всесоюзном совещании «Автоматизированные системы массового обслуживания» (Нальчик, 1982), Всесоюзном совещании «Автоматизация проектирования и конструирования» (Ленинград, 1983), семинаре-совещании «Моделирование, идентификация, синтез систем управления цроцессами и цроизводством» (Донецк, 1982), семинаре «Архитектура распределенных систем» при комиссии «Архитектура локальных сетей и баз данных» Научного совета по комплексной проблеме «Кибернетика» при АН СССР (Москва, 1983), У школе-семинаре «Проблемы автоматизации проектирования: и управления качеством продукции» (Звенигород, 1982), ХХУШ и ХИХ Конференциях молодых ученых Института проблем управления (Москва, 1982, 1983), конференциях молодых ученых и специалистов ВИНИТИ, МФТИ (Москва, 1982).

Публикации. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научных исследований по естественным и общественным наукам АН СССР на 1981;1985 годы по проблеме 1.12 «Проблемы вычислительной техники, управления и кибернетики» и планом научных работ Института проблем управления по теме № 12−79 «Синтез оптимальных модульных и типовых модульных автоматизированных информационно-управляющих систем» (номер гос. регистрации 79 062 179). Результаты проведенных исследований опубликованы в 4 научных работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, трех приложений, заключения и содержит 140 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 28 таблиц.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Выявлены особенности и показана целесообразность применения в сетях ЭВМ методов резервирования информационных массивов и программных модулей, как эффективного способа повышения сохранности программного и информационного обеспечения сети ЭВМ.

2. Предложены и исследованы основные стратегии резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ, возможные дисциплины обработки запросов к резервируемым модулям и массивам, а также основные варианты использования данных стратегий в вычислительных сетях.

3. Разработаны формализованные методы определения и анализа вероятностных, временных и стоимостных характеристик основных стратегий резервирования ИМ и ПМ и возможных дисциплин обработки запросов к массивам и модулям, учитывающие особенности и основные варианты резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ.

4. Поставлены и решены задачи оптимального резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ по критериям максимума вероятности и минимума среднего времени получения ответа на запрос, минимума стоимостных затрат на использование ресурсов сети ЭВМ для хранения резерва и обработки запросов. Выполнен анализ зависимости распределения резерва ИМ и ПМ в сети ЭВМ от основных параметров узлов и линий связи сети.

5. Исследована эффективность предложенных методов восстановительного резервирования ИМ и ПМ, уменьшающего вероятность полной потери информации в сети ЭВМ в результате ее разрушения. Выделены два варианта восстановительного резервирования в сетях ЭВМ, заключающихся в использовании для восстановления модулей и массивов неразрушенного ОР ближайших узлов сети и архивов магнитных носителей, содержащих оригиналы и дубликаты массивов и модулей. С учетом этих вариантов получены аналитические выражения для расчета вероятностных и временных характеристик возможных восстановительных стратегий, на основе которых исследована эффективность данных стратегий.

6. Сформулированы и решены задачи оптимального восстановительного резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ по 1фитериям максимума вероятности и минимума среднего времени успешного восстановления разрушенных модулей и массивов, минимума стоимостных затрат на реализацию восстановления. С использованием аналогичных критериев поставлены и решены задачи оптимизации схемы восстановления разрушенной информации в сетях ЭВМ. Получены условия целесообразности использования АМН в сетях ЭВМ для восстановления разрушенных ИМ и ПМ.

7. Получены аналитические выражения для расчета показателей надежности сетей ЭВМ и исследовано влияние методов резервирования ИМ и ПМ на показатели сохранности информации в сети ЭВМ. Рассмотрены случаи функционирования сети ЭВМ без использования восстановительного резервас использованием АМН, имеющих ненулевую вероятность разрушенияс использованием безотказных АМНа также случай использования неразрушенного ОР в качестве восстановительного резерва.

8. Для систем реального времени, построенных на базе сетей ЭВМ, цредложен метод определения коэффициента готовности, как основного показателя надежности их функционирования. Рассмотрены задачи оптимизации резервирования ИМ и ПМ по критерию максимума коэффициента готовности таких систем.

9. Сформулирован и доказан ряд теорем, позволяющих уменьшить вычислительную сложность задач оптимального оперативного резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ по критерию минимума стоимостных затрат на хранение резерва и обработку запросов, а также задач оптимального восстановительного резервирования массивов и модулей по критерию минимума стоимости хранения в сети ЭВМ архивов магнитных носителей и восстановления разрушенной информации.

10. Разработанные формализованные методы определения и анализа основных характеристик стратегий оперативного и восстановительного резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ реализованы в виде алгоритмического и программного обеспечения, которое в качестве одной из подсистем включено в состав автоматизированной системы расчета оптимальных стратегий резервирования модулей и массивов.

11. Полученные в диссертационной работе теоретические результаты позволили выработать рекомендации по практическому использованию предложенных моделей и методов резервирования ИМ и ПМ в сетях ЭВМ, которые применялись при техническом и рабочем проектировании вычислительной сети АСУ предприятиями территориально-промышленного комплекса электротехнической промышленности Молдавской ССР, цри проведении НИР Министерства радиопромышленности СССР, создании первой очереди АСУ МПС «Метро», что позволило получить значительный технико-эксплуатационный эффект за счет повышения сохранности программного и информационного обеспечения и рационального использования ресурсов вычислительной техники и средств связи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.