Способ контроля тупиковых ситуаций инфокоммуникационной системы и устройство для его осуществления

Способ контроля тупиковых ситуаций инфокоммуникационной системы и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области контроля тупиковых ситуаций в системах автоматики, связи и вычислительной техники (инфокоммуникации), преимущественно в ракетно-космической технике, в космическом и наземном сегментах управления.

Понятие «инфокоммуникационные технологии» включает: информационные технологии (аппаратные и программные средства), телекоммуникационное оборудование (абонентское оборудование, сетевое оборудование) и телекоммуникационные услуги (услуги в телефонных сетях общего пользования, услуги в сети Интернет, услуги мобильной телефонной связи и т.п.). Инфокоммуникационные технологии реализуются с помощью инфокоммуникационных сетей. 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 (подробнее см. на сайте со списком литературы - (Д1)).

Возрастающий спрос на инфокоммуникационные услуги объясняется потребностью общества в устойчивых удаленных связях, позволяющих организовать новые формы производства и управления реальными и виртуальными предприятиями и организациями. Именно в этом направлении и ведет свою работу Департамент государственной политики в области инфокоммуникационных технологий Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации (см. доклад и.о. директора Департамента государственной политики в области инфокоммуникационных технологий Е.С.Васильева «Государственная политика в области инфокоммуникационных технологий», сайт _mis_2008 Vasiliev.htm - (Д2)).

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. В материалах данной заявки рассматриваются тупиковые ситуации (далее по тексту тупики), возникающие при использовании общей совокупности ресурсов, так называемых критических ресурсов. Под ресурсом понимается любая компонента системы (техническая, программная, информационная), имеющая свое уникальное имя или адрес и выделяемая процессам во временное пользование. Причем пользование ресурсами может быть как монопольное, так и разделяемое многими процессами.

Тупики - ситуации взаимного ожидания двумя или более одновременно выполняющимися в системе процессами освобождения одной и той же совокупности критических ресурсов, занятых другими процессами. В этом случае в системе данные процессы не выполняются, и при работоспособном состоянии всех элементов система не выполняет возложенных на нее функций и находится в состоянии ожидания. Необходимо вмешательство администратора по принудительному освобождению совокупности критических ресурсов и выхода из тупика путем активизации выполнения попавших в тупик процессов (подробнее см. статью Козлова В.Г. «Расширенная классификация тупиков», журнал «ВКСС Connect!», №4, 2005 - (Д3)).

Известен ряд 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. - (Д4), Дейкстра Э. «Взаимодействие последовательных процессов, в кн. Языки программирования», М., Мир, 1972, с.3-86 - (Д5), Haberman A.N. Prevention of System deadlocks. - Communications ACM, 1969, vol.12, N 7, p.373-377 - (Д6) и в патенте RU №2287220 «Система и способ предотвращения тупиковых ситуаций с использованием таймера для высокоскоростного нисходящего пакетного доступа», опубликовано 2006.11.10 - (Д7)).

В основу способа прерывания процесса (Д4) положена следующая последовательность действий. Выполнение процесса, запросившего некоторые системные ресурсы, занятые в момент запроса, прерывают и у него изымают все ресурсы, которыми он владел. После освобождения требуемых ресурсов другими процессами прерванный процесс вновь активизируют до момента очередного запроса занятых ресурсов.

Недостатком этого метода является то, что он специфичен и малоэффективен, особенно в случае наличия множества разнотипных ресурсов, запрашиваемых динамически, требует частого снятия процессов, что приводит к непроизводительным временным издержкам.

В способе (Д5), известном еще как алгоритм банкира, заложены действия по анализу соотношения числа затребованных ресурсов к числу свободных, то есть тех, выделение которых не допустит тупиково-опасных состояний системы. В соответствии с этим, процессу запрещают доступ к свободным ресурсам, выделение которых приведет к тупику. Основными недостатками данного метода являются: ограниченная область применения, так как он работает с однотипными ресурсами неединичной емкости, требование полной априорной информации о требуемых процессам ресурсах.

В основу способа (Д6) положена такая же идея, что и в способе (Д5), однако он применим для систем с разнотипными ресурсами единичной емкости и основывается на прогнозировании тупиков. К недостаткам следует отнести: невозможность иметь полную априорную информацию при работе абонентов в интерактивном режиме, когда по их запросам процессы динамически запрашивают ресурсы, необходимость постоянного контроля состояния ресурсов по каждому запросу от любого из процессов, что влияет на эффективность функционирования системы.

К основному общему недостатку данной группы методов недопущения, в том числе и использование таймера (Д7), следует отнести их невозможность реализовать защиту от тупиков архитектурного типа, вызываемых такими атрибутами критических ресурсов, как показатели надежности технических, программных ресурсов и размеры буферной памяти узлов системы (Д3).

Наиболее близким по достигаемому результату к заявляемому изобретению (как к способу, так и к устройству) является техническое решение, описанное в авторском свидетельстве СССР №1180890 «Устройство для выявления тупиковых ситуаций при обслуживании запросов на ресурсы вычислительной системы», опубликованном 23.09.1985г. - (Д8). Отметим, что указанное известное техническое решение имеет такое же назначение, что и заявленное - выявление или контроль тупиковых ситуаций и поэтому выбрано прототипом. Прототип характеризуется следующими признаками. Устройство для выявления тупиковых ситуаций при обслуживании запросов на ресурсы вычислительной системы, содержащее регистр памяти, выходной элемент ИЛИ и М блоков оценки ситуации (М - число обслуживаемых процессов), каждый из которых содержит первый и второй регистры, элемент И, элемент ИЛИ, пять групп элементов ИЛИ и две группы элементов И, первая группа элементов И и первая группа элементов ИЛИ i-го блока оценки ситуации (1,…, М) состоят из j подгрупп (j - число альтернативных сочетаний ресурсов, требующихся i-му процессу) по n элементов в каждой подгруппе (n - число распределяемых ресурсов), выходы четных разрядов первого регистра соединены соответственно с первыми входами элементов И первой группы, вторые входы J-x элементов И всех подгрупп первой группы (j=1, n) соединены с выходом j-го элементу ИЛИ второй группы, выходы элементов и К-й подгруппы первой группы (К=1, j) подключены соответственно к входам К-го элемента ИЛИ третьей группы, разрядные выходы второго регистра подключены соответственно к первым входам элементов И второй группы, вторые входы которых объединены и подключены к выходу элемента ИЛИ, первые входы элементов ИЛИ всех блоков оценки ситуации объединены и являются установочным входом устройства, выходы элементов И всех блоков оценки ситуации подключены соответственно к входам выходного элемента ИЛИ, выход i-го элемента И второй группы соединен с первыми входами элементов ИЛИ четвертой и пятой групп, отличающееся тем, что с целью расширения функциональных возможностей за счет выявления тупиковых ситуаций при альтернативном запросе ресурсов коллективного и индивидуального пользования j-й выход регистра памяти соединен с первым входом j-гo элемента ИЛИ каждой подгруппы первой группы в каждом блоке оценки ситуации и является j-м информационным выходом устройства, а в каждом блоке оценки ситуации выходы нечетных разрядов первого регистра подключены соответственно к вторым входам элементов ИЛИ первой группы, выходы которых соединены соответственно с третьими входами элементов И первой группы, выходы элементов ИЛИ третьей группы подключены соответственно к входам элемента И, выход которого соединен с вторым ходом элемента ИЛИ, выход j-го элемента ИЛИ пятой группы j-го блока оценки ситуации (j=1, М=1) соединен с первым входом j-го элемента ИЛИ второй группы. К недостаткам известного технического решения можно отнести его малоэффективность, особенно при возникновении тупиков архитектурного типа, вызываемых множеством разнотипных критических ресурсов с такими атрибутами, как показатели надежности технических, программных ресурсов и размеры буферной памяти узлов системы.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности, особенно в случае наличия множества разнотипных ресурсов инфокоммуникационной системы, при неполной априорной информации о требуемых процессам ресурсах, с учетом показателей надежности технических, программных ресурсов и размеров буферной памяти узлов системы. Так, с помощью матричного метода состав критических ресурсов *R определяется как номера ненулевых столбцов. Имея совокупность критических ресурсов *R, из-за которых возможен тупик, нетрудно получить аналитическое выражение вероятности возникновения тупика Р т у п как функцию от таких атрибутов, как интенсивность отказов критических технических и программных ресурсов, размеры зон буферной памяти узлов инфокоммуникационной системы (ИКС). В свою очередь, через вероятность возникновения тупика Р т у п определяется коэффициент готовности ИКС, по значению которого судят о наличии тупиковых ситуаций (см. Приложение).

Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном способе контроля тупиковых ситуаций инфокоммуникационной системы (ИКС) определяют значения: λ r i т - математического ожидания интенсивности отказов i-гo критического технического ресурса r_iт, где i=1,2,3,…, h r j п - математического ожидания интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп, где j=1, 2, 3,…, размера q зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы, задают t_внп - значение временного интервала планируемого выполнения процессов и вычисляют значение коэффициента готовности - К_гтр по формуле:

К г т р = ∏ i = 1 r i т e × − λ r i т t в н п ∏ j = 1 r j п e − h r j п t в н п × ∏ n = 1 N e − k @ э q n ∑ i = 1 k − 1 ( k @ э q n ) i i !

где i=1,2,3,…, - количество критических технических ресурсов r_iт;

j=1,2,3,…, - количество критических программных ресурсов r_jп;

λ r i т - математическое ожидание интенсивности отказов i-гo критического технического ресурса r_iт;

t_внп - временной интервал планируемого выполнения процессов;

h r j п - математическое ожидание интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп;

k - порядок аппроксимирующего распределения Эрланга с параметром @_э - интенсивности пуассоновского потока в узел для целого значения размера q зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы;

N - общее количество зон буферной памяти в инфокоммуникационной системе;

q - размер зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы,

сравнивают определенный коэффициент готовности - К_гтр с пороговым уровнем К_{гтр (0)} и при выполнении условия:

К_гтр < К_{гтр (0)}

делают вывод о наличии в инфокоммуникационной системе тупиковых ситуаций.

При этом определение значений: λ r i т - математического ожидания интенсивности отказов i-гo критического технического ресурса r_iт, h r j п - математического ожидания интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп, размера q зоны буферной памяти инфокоммуникационной узла системы осуществляют теоретически или эмпирически или выбирают из баз данных, например, в системе технической эксплуатации сетей связи с помощью подсистем контроля и измерений осуществляют реализацию задач управления качеством с целью оценки таких же показателей и параметров используемых средств системы, см. «Системы управления сетями связи»: учебное пособие. /М.М.Егунов, О.Г.Шерстнева, Е.А.Абзапарова - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2009. - раздел 1.2 - [Д9]. Значение t_внп - временного интервала планируемого выполнения процессов задают как исходные данные.

Заявленные способ контроля тупиковых ситуаций инфокоммуникационной системы и устройство для его осуществления поясняются следующими фигурами:

на фиг.1 представлена структурная схема устройства контроля тупиковых ситуаций инфокоммуникационных систем,

на фиг.2 представлен алгоритм вычисления значения коэффициента готовности - К_гтр.

Устройство контроля тупиковых ситуаций инфокоммуникационных систем содержит:

1 - блок формирования λ r i т - математического ожидания интенсивности отказов i-гo критического технического ресурса r_iт,

2 - блок формирования математического ожидания h r j п интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп,

3 - блок формирования размера q зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы,

4 - блок формирования t_внп - временного интервала планируемого выполнения процессов,

5 - блок вычисления значения коэффициента готовности К_гтр,

6 - блок сравнения,

7 - блок задания порогового уровня.

Технический результат достигается тем, что устройство контроля тупиковых ситуаций инфокоммуникационной системы содержит блок формирования λ r i т - математического ожидания интенсивности отказов i-го критического программного ресурса r_iт, блок формирования h r j п - математического ожидания интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп, блок формирования размера q зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы и блок формирования t_внп - временного интервала планируемого выполнения процессов, выходы которых соответственно подключены к первому, второму, третьему и четвертому входу блока вычисления значения коэффициента готовности, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу блока задания порогового уровня, при этом блок вычисления значения коэффициента готовности реализует вычисление по формуле:

К г т р = ∏ i = 1 r i т e × − λ r i т t в н п ∏ j = 1 r j п e − h r j п t в н п × ∏ n = 1 N e − k @ э q n ∑ i = 1 k − 1 ( k @ э q n ) i i !

где i=1,2,3,…, - количество критических технических ресурсов r_iт;

j=1,2, 3,…, - количество критических программных ресурсов r_jп;

λ r i т - математическое ожидание интенсивности отказов i-гo критического технического ресурса r_iт;

t_внп - временной интервал планируемого выполнения процессов;

h r j п - математическое ожидание интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп;

k - порядок аппроксимирующего распределения Эрланга с параметром @_э - интенсивности пуассоновского потока в узел для целого значения размера q зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы;

N - общее количество зон буферной памяти в инфокоммуникационной системе;

q - размер зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы,

а выход блока сравнения является выходом устройства контроля тупиковых ситуаций инфокоммуникационной системы.

Устройство работает следующим образом. В блоки формирования λ r i т - математического ожидания интенсивности отказов i-го критического технического ресурса r_iт 1, формирования h r j п - математического ожидания интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп 2, формирования размера q зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы и формирования t_внп - временного интервала планируемого выполнения процессов 4 вводят числовые значения λ r i т - математического ожидания интенсивности отказов i-гo критического технического ресурса r_iт, h r j п - математического ожидания интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп, размера q зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы и t_внп - временного интервала планируемого выполнения процессов, которые поступают соответственно на первый, второй, третий и четвертый входы блока вычисления значения коэффициента готовности К_гтр 5. Блок вычисления значения коэффициента готовности К_гтр 5 реализует вычисление по формуле:

К г т р = ∏ i = 1 r i т e × − λ r i т t в н п ∏ j = 1 r j п e − h r j п t в н п × ∏ n = 1 N e − k @ э q n ∑ i = 1 k − 1 ( k @ э q n ) i i !

где

i=1,2,3,…, - количество критических технических ресурсов r_iт;

j=l,2,3,…, - количество критических программных ресурсов r_jп;

λ r i т - математическое ожидание интенсивности отказов i-го критического технического ресурса r_iт;

t_внп - временной интервал планируемого выполнения процессов;

h r j п - математическое ожидание интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп;

k - порядок аппроксимирующего распределения Эрланга с параметром @_э - интенсивности пуассоновского потока в узел для целого значения размера q зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы;

N - общее количество зон буферной памяти в инфокоммуникационной системе;

q - размер зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы,

Вычисленное значение К_гтр поступает на первый вход блока сравнения 6, на второй вход которого с выхода блока задания порогового уровня 7 поступает пороговый уровень К_{гтр (0)} и при выполнении условия:

К_гтр< К_{гтр (0)}

на выходе блока сравнения 6 появляется сигнал, например потенциал высокого уровня, который свидетельствует о наличии тупиковых ситуаций в инфокоммуникационной системе.

Покажем возможность осуществления изобретения, т.е. возможность его промышленного применения.

Блоки формирования 1-4, выполненные с возможностью записи в них числовых значений, предназначены для записи в них числовых значений: λ r i т - математического ожидания интенсивности отказов i-го критического технического ресурса r_iт, h r j п - математического ожидания интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп, размера q зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы и t_внп - временного интервала планируемого выполнения процессов соответственно. Они известны и широко применяются в различных областях. Это различные клавиатуры и устройства ввода для компьютеров, для калькуляторов, для введения исходных данных в различные системы, например в часы.

Блок вычисления 5, обеспечивающий вычисление значения коэффициента готовности К_гтр, охарактеризован в материалах заявки на функциональном уровне, и его реализация предполагает использование программируемого средства, при этом в материалах заявки приведено соответствующее расчетное математическое выражение, а на фиг.2 - вычислительный алгоритм в виде блок-схемы. Такие программируемые средства известны: микропроцессор, персональный компьютер, ЭВМ, см., например, источники информации: Пятибратов А.П., Гудыно Л.П. Кириченко А.А. «Вычислительные системы, сети и коммуникации». - М.: Финансы и статистика, 2004, с.1-273 - (Д10), Пул Л. «Работа на персональном компьютере»: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986, с.73-88 (Д11).

Блок сравнения 6 выполнен с возможностью сравнения двух числовых значений и выдачи сигнала при превышении одного над другим. Электронные схемы, выполняющие указанную функцию, называются компараторы. Они известны, см., например, «Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы». Справочник. Якубовский С.В, Кулешова В.И., Ниссельсон Л.И. и др., под ред. Якубовского С.В., М, Радио и связь, 495 стр.(Д12), где помещено описание микросхемы 564ИП2, предназначенной для сравнения двух четырехразрядных двоичных чисел.

Также известен и блок задания порогового уровня 7, который выполнен с возможностью записи в него числового значения и эквивалентен описанным ранее блокам 1-4.

1. Способ контроля тупиковых ситуаций инфокоммуникационной системы, заключающийся в том, что определяют значения: λ r i т - математического ожидания интенсивности отказов i-гo критического технического ресурса r_iт, где i=1, 2, 3,…, h r j п - математического ожидания интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп, где j=1, 2, 3,…, размера q зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы, задают t_внп - значение временного интервала планируемого выполнения процессов и вычисляют значение коэффициента готовности - К_гтр по формуле: К г т р = ∏ i = 1 r i т e × − λ r i т t в н п ∏ j = 1 r j п e − h r j п t в н п × ∏ n = 1 N e − k @ э q n ∑ i = 1 k − 1 ( k @ э q n ) i i ! гдеi=1,2,3,…, - количество критических технических ресурсов r_iт;j=1,2,3,…, - количество критических программных ресурсов r_jп; λ r i т - математическое ожидание интенсивности отказов i-гo критического технического ресурса r_iт;t_внп - временной интервал планируемого выполнения процессов; h r j п - математическое ожидание интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп;k - порядок аппроксимирующего распределения Эрланга с параметром @_э - интенсивности пуассоновского потока в узел для целого значения размера q зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы;N - общее количество зон буферной памяти в инфокоммуникационной системе;q - размер зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы,сравнивают определенный коэффициент готовности - К_гтр с пороговым уровнем К_{гтр (0)} и при выполнении условия:К_гтр < К_{гтр (0)} делают вывод о наличии в инфокоммуникационной системе тупиковой ситуации.

2. Устройство контроля тупиковых ситуаций инфокоммуникационной системы, содержащее блок формирования λ r i т - математического ожидания интенсивности отказов i-гo критического технического ресурса r_iт, где i=1, 2, 3,…, блок формирования h r j п - математического ожидания интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп, где j=1, 2, 3,…, блок формирования размера q зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы и блок формирования t_внп - временного интервала планируемого выполнения процессов, выходы которых соответственно подключены к первому, второму, третьему и четвертому входу блока вычисления значения коэффициента готовности, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу блока задания порогового уровня, при этом блок вычисления значения коэффициента готовности К_гтр реализует вычисление по формуле: К г т р = ∏ i = 1 r i т e × − λ r i т t в н п ∏ j = 1 r j п e − h r j п t в н п × ∏ n = 1 N e − k @ э q n ∑ i = 1 k − 1 ( k @ э q n ) i i ! гдеi=1,2,3,…, - количество критических технических ресурсов r_iт;j=1,2,3,…, - количество критических программных ресурсов r_jп; λ r i т - математическое ожидание интенсивности отказов i-го критического технического ресурса r_iт;t_внп - временной интервал планируемого выполнения процессов; h r j п - математическое ожидание интенсивности отказов j-гo критического программного ресурса r_jп;k - порядок аппроксимирующего распределения Эрланга с параметром @_э - интенсивности пуассоновского потока в узел для целого значения размера q зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы;N - общее количество зон буферной памяти в инфокоммуникационной системе;q - размер зоны буферной памяти узла инфокоммуникационной системы,а выход блока сравнения является выходом устройства контроля тупиковых ситуаций инфокоммуникационной системы.