Резервированная передача данных в системах дублированных вычислительных комплексов реального времени

Отказоустойчивость и надежность инфокоммуникационных систем достигается в результате резервирования и консолидации ресурсов, в том числе при резервировании каналов передачи данных.

Для инфокоммуникационных систем реального времени обеспечение функциональной надежности передачи данных включает обеспечение структурной надежности и своевременности доставки информации в условиях отказов каналов связи. Для инфокоммуникационных систем с резервированием каналов передачи данных потенциально повысить надежность процесса передачи возможно при резервированной передаче копий пакетов по нескольким каналам одновременно.

В качестве объекта исследований рассмотрим систему, комплектуемую из дублированных вычислительных комплексов, представленную на рис. 7.22.

В современных кластерных системах, консолидирующих ресурсы нескольких серверов, особенность резервированного выполнения запросов заключается в организации независимых очередей в каждом сервере, представляемом одноканальной системой массового обслуживания. В таких системах, в отличие от многоканальных систем с общей очередью, увеличивается разброс времени ожидания запросов в разных очередях, в том числе запросов на межкомплексный обмен, что потенциально может привести к увеличению вероятности своевременной передачи пакетов между взаимодействующими узлами (ДВК).

Резервированная передача копий пакетов через разные коммутационные узлы, каждый из которых представляется одноканальной системой массового обслуживания с бесконечной очередью, с одной стороны, приводит к повышению устойчивости вычислительного процесса к отказам и ошибкам узлов. С другой стороны, резервирование запросов вызывает возрастание загрузки коммутационных узлов и среднего времени ожидания (пребывания) запросов и, как следствие, увеличение вероятности задержки запросов в очереди сверх предельно допустимого времени t₀. В то же время, резервированная передача пакетов через несколько коммутационных узлов, с учетом стохастичносги обслуживания, потенциально может привести к увеличению вероятности своевременного передачи пакетов при условии их своевременной передачи хотя бы по одному из резервных путей. Таким образом, имеется техническое противоречие, и в настоящее время представляется актуальным его исследование с целью выработки рекомендаций, но его разрешению для кластерных систем реального времени, основным показателем эффективности которых является вероятность своевременного обслуживания запросов.

Проведем обоснование организации межкомплексного обмена с учетом его влияния на структурную надежность и вероятность своевременного обмена в системе дублированных комплексов. Определим варианты организации обмена между комплексами при дублировании вычислений, когда необходимо занесение передаваемых данных в модули памяти М двух полукомплексов адресуемого вычислительного узла (комплекса).

Для систем с дублированием вычислений выделим следующие варианты передачи от /-го к j-му ДВК.

Вариант В1. первый (левый) и второй (правый) полукомплексы г-го ДВК передают пакеты соответственно через первый Sw_{ и через второй коммутаторы Sw₂

В результате обмена.

данные г-го комплекса заносятся в модули памяти М обоих полукомплексову-го комплекса.

Условие реализуемости варианта В1 при передаче от г-го к у-му комплексу (узлу) заключается в исправности двух коммутаторов и исправности у каждого из двух взаимодействующих комплексов пары сетевых адаптеров.

Рассмотрим две модификации варианта обмена В1:

• • при первом варианте В11 на передачу по каждой магистрали организуются независимые очереди (множественный доступ к каждой магистрали реализуется независимо от доступа ко второй магистрали);
• • при втором варианте В12 организуется общая очередь запросов на передачу по первой и второй магистрали с реализацией единой процедуры множественного доступа — в результате магистрали предоставляются одновременно и по ним организуется одновременная передача двух копий запросов.

Вариант В2: первый (либо второй) полукомплекс г-го комплекса передает пакет через первый (второй) коммутатор и соответствующий сетевой адаптер в память первого (второго) полукомплексау-го ДВК. Из модуля памяти полукомплекса, принявшего данные, они передаются в модуль памяти другого полукомплекса через адаптер внутреннего обмена А.

Таким образом, реализуется связь

Закрепление за комплексами коммутаторов для передачи проводится так, чтобы сбалансировать их нагрузку.

Условие реализуемости варианта В2 при передаче от г-го ку-му комплексу заключается в исправности хотя бы одного коммутатора и его подключении через исправные порты и сетевые адаптеры одновременно к первым (или вторым) полукомплексам взаимодействующих узлов при условии исправности адаптера внутрикомплексной связи в узле-приемнике. При дуплексной связи дополнительно к сформулированному условию требуется исправность адаптера внутренней связи в каждом из взаимодействующих комплексов.

Заметим, что передача через адаптер А может быть параллельной, так как полукомплексы расположены близко (в одном конструктиве).

Возможно использование гибридного варианта, позволяющего адаптироваться к интенсивности межкомплексного обмена и к отказам компонент системы. Например, возможен вариант, предполагающий использование при низкой интенсивности обмена по варианту В1 с переходом в случае увеличения нагрузки па вариант В2. Возможен также комбинированный вариант, предусматривающий в исходном состоянии (без накопления отказов) обмен по варианту В2 с переходом к варианту обмена В1 после отказов адаптеров внутрикомплексной связи, что потенциально позволяет повысить надежность (отказоустойчивость) системы.

Адаптивно повысить устойчивость к ошибкам передачи пакетов позволяет вариант ВЗ, при котором первоначально организуется вариант В12. В случае недоставки за заданное время пакетов по двум каналам используются результаты успешной безошибочной передачи по одному из каналов с дальнейшей реализацией внутрикомплексного обмена. Последний вариант межкомплексного обмена возможен при исправности адаптеров внутрикомплексного обмена, при этом одна из копий передаваемого по двум каналам пакета должна быть передана через канал межкомплекспого обмена за время t₀ — 7, где — время внутрикомплексного обмена.

При оценке времени пребывания запросов для различных вариантов межкомплексного обмена каждый коммутационный узел представим системой массового обслуживания тина М/М/1.

Для систем реального времени в качестве основного показателя эффективности медмашинного обмена будем использовать вероятность непревышения времени ожидания в очередях на передачу пакетов некоторого предельно допустимого порогового значения t₀.

В исходном состоянии системы (без отказов) вероятности того, что времена ожидания передачи не превысят предельно допустимую задержку t₀ (в предположении безошибочности передачи пакетов), для вариантов обмена В11, В12, В2 и ВЗ вычисляются соответственно как.

а с учетом возможности ошибочных передач — как.

где v = L/b — среднее время передачи пакета средней длины L при битовой скорости передачи Ь; А. — битовая вероятность ошибок; А — интенсивность запросов на передачу пакетов 114, 15].

Зависимости вероятности ненревышения ожидания пакетов очереди предельно допустимой задержки ?₀ = 1 с представлены на рис. 7.33 кривыми г_п, г₁₂, г₂, г₃. Расчет выполнен при t_{ = 0,2 с, L = 10^ бит, b = 10⁴бит/с и = 10″⁴ 1/бит.

Проведенные расчеты показывают явное преимущество варианта обмена ВЗ, при низкой интенсивности запросов и при их росте — увеличение эффективности варианта обмена В2, который позволяет увеличить предельную интенсивность запросов, выдерживаемую системой в условиях стационарности обслуживания запросов на передачу пакетов.

Таким образом, проведено исследование вариантов межкомплексного обмена через резервированные коммутаторы, объединяющие дублированные вычислительные комплексы в кластере. Показано влияние организа;

Рис. 733. Вероятность нспрсвышсния ожидания пакетов очереди предельно допустимой задержки t".

ции межкомплексного обмена на вероятность своевременного обслуживания запросов на передачу пакетов через резервированную среду передачи данных.

Дополнительные возможности обеспечения высокой вероятности безошибочной своевременной межкомплексной передачи данных при накоплении отказов или изменении интенсивности запросов на межкомплексный обмен дает адаптивная смена вариантов обмена.