Software & Systems

Для определения показателя надежности вычислительных систем рекомендуется использовать коэффициент сохранения эффективности Kэ, который отражает качество выполнения системой своих функций [1, 2]. В [2] Kэ конкретизируется с учетом специфики исследуемой системы и представляет собой соотношение фактического значения показателя эффективности с учетом отказов Э и номинального значения этого показателя Э0:

.                                                                 (1)

Представим расчет коэффициента сохранения эффективности типового вычислительного комплекса (ВК), состоящего из выделенного сервера и нескольких рабочих станций. Данный расчет основан на работе [3], суть его сводится к следующему.

Поскольку основной задачей ВК является обслуживание запросов пользователей, в качестве показателя эффективности логично выбрать число выполненных запросов пользователей. При этом под эффективностью подразумевается вероятность того, что произвольный запрос пользователя будет выполнен.

В соответствии с выбором показателя эффективности можно выделить несколько этапов обработки запросов: 1) установление соединения между узлом i и передающим оборудованием (коммутатором); 2) установление соединения между узлом i и оборудованием обработки запросов (сервером); 3) удержание установленного соединения; 4) обработка запроса сервером; 5) разрыв соединения.

Эффективность ВК в этом случае сводится к выражению, отображающему поэтапную обработку запросов:

,                                                              (2)

где Эk – эффективность выполнения k-го этапа; K – общее количество этапов обработки запросов. Подставляя полученное значение эффективности выполнения в (1), Kэ можно представить выражением

                                (3)

где Эk0 – номинальная эффективность выполнения k-го этапа; Kэk – коэффициент сохранения эффективности на этапе k.

Учитывая, что время установления и разрыва сетевого соединения незначительно по сравнению со временем передачи и обработки запроса, можно проигнорировать вклад в общую эффективность этапов 1, 2 и 5.

В этом случае для 3-го этапа Kэ3 определяется вероятностью разрушения установленного соединения из-за отказов оборудования:

,                                              (4)

где S – совокупность возможных сетевых маршрутов между клиентом и сервером; KГj – коэффициент готовности оборудования на j-м маршруте за время сессии Dtcj.

Для 4-го этапа Kэ4 определяется вероятностью обработки запроса клиента i на сервере за время существования сессии:

,                                            (5)

где m – общее количество клиентов; N – общее количество запросов клиентов к серверу; Ni – количество запросов от пользователя i к серверу; Pi(Dtcj) – вероятность (математическое ожидание) доли обработанных запросов пользователя i за время существования сессии.

Теоретическая часть эксперимента

Рассмотрим два ВК, одинаковых на аппаратном уровне. Первый ВК работает в нормальном режиме, при котором системное ПО установлено на физической платформе сервера (рис. 1). Второй ВК работает в виртуальном режиме, при котором системное ПО представляет собой две  изолированные системы (хостовую и гостевую) на одной физической платформе (рис. 2). Гостевая система в этом случае представлена дополнительной подсистемой (m+1), включенной параллельно хостовой.

Определим коэффициент сохранения эффективности ВК в нормальном режиме в соответствии с формулами (3)–(5):

                          (6)

где  – вероятность обработки запроса за время существования сессии.

В случае перехода ВК в виртуальный режим изменяется выражение для 3-го и 4-го этапов обработки.

На 3-м этапе появляется дополнительный маршрут между физическим и виртуальным серверами (см. рис. 2):

,           (7)

где S+1 – дополнительный маршрут между виртуальным и физическим серверами;  – коэффициент готовности виртуального оборудования за время существования сессии.

На 4-м этапе появляется дополнительный цикл обработки запросов между виртуальным и физическим серверами:

           (8)

где Nm+1 – количество запросов между физическим и виртуальным серверами; Pm+1 – вероятность обработки запросов виртуальным сервером;  – коэффициент сохранения эффективности при обработке запроса на виртуальном сервере.

Вычислим коэффициент сохранения эффективности ВК в виртуальном режиме:

              (9)

Сравнение формул (6) и (9) показывает: если виртуальная система представляет собой специальное ПО [3], при котором выполняется условие

,                                                             (10)

коэффициент сохранения эффективности ВК в виртуальном режиме может оказаться выше аналогичного показателя в нормальном режиме. Этот факт подтвержден экспериментально.

Следует отметить, что подобный эффект можно получить только в случае использования одного виртуального сервера. При увеличении количества виртуальных серверов на одной физической платформе придется учитывать вероятность перераспределения ресурсов и взаимодействие между виртуальными системами, что однозначно снизит общую надежность ВК. Более подробно проблема надежности ВК, состоящего из нескольких вычислительных систем, описана в [2].

Практическая часть эксперимента

Для проведения эксперимента использовался ВК, состоящий из одного физического сервера под управлением MS Windows 2003 (CPU – Pentium 2.6 Ггц, RAM 1 Гбайт, LAN 100 Мбит/с) и 10 рабочих станций различной конфигурации, подключенных к серверу через сетевой коммутатор (100 Мбит/с).

На сервере была установлена программа VMWARE SERVER 2.0, под управлением которой работал виртуальный сервер MS Windows 2003. На 9 рабочих станциях были установлены программные агенты NetBench [4], позволяющие получить числовые показатели запросов пользователей к серверу в режиме файлового обмена. На отдельной рабочей станции установлен контроллер NetBench, согласующий работу агентов.

Первый эксперимент

Физический сервер был сконфигурирован на эффективную работу программ, одной из которых являлся виртуальный сервер под управлением VMWARE SERVER 2.0. Таким образом было сформировано специальное ПО. Виртуальный сервер (MS Windows 2003) сконфигурирован как выделенный файловый сервер и настроен на эффективную работу фоновых сервисов.

На обоих серверах (физическом и виртуальном) были предоставлены для общего доступа папки, примонтированные как разные сетевые диски на рабочих станциях.

По команде с контроллера агент NetBench на первой рабочей станции обращался к указанному серверу в режиме файловых операций, фиксируя количество запросов, обработанных сервером за 300 секунд. На следующем этапе тестирования к агенту первой рабочей станции присоединялся агент NetBench второй рабочей станции, и весь процесс повторялся. Тестирование заканчивалось, когда все агенты NetBench на 9 рабочих станциях одновременно тестировали сначала физический, а затем виртуальный серверы.

Количество выполненных запросов от агентов NetBench (N) и средняя производительность рабочей станции (P), Мбит/с, для физического и виртуального серверов приведены в таблице.

Второй эксперимент

Физический сервер был переустановлен и настроен в режиме обычного файлового сервера на эффективную работу фоновых сервисов. Виртуальный сервер оставлен без изменений.

Количество обработанных запросов (N) и средняя производительность рабочей станции (P), Мбит/с, в режиме файловых операций для физического и виртуального серверов приведены в таблице.

Сравнивая количество запросов из таблицы, нетрудно заметить, что при работе ВК в виртуальном режиме в первом эксперименте удалось достичь большей эффективности, чем в нормальном режиме как в первом, так и во втором экспериментах.

В заключение можно сделать следующие вы­воды. Результатом данного исследования является утверждение, что надежность ВК при работе с оп­ределенными типами запросов может быть увели­чена путем перевода его в виртуальный режим, при котором соблюдается условие (10). Таким об­разом, можно предположить, пока в виде концеп­ции, вероятность создания высоконадежных ВК, способных в зависимости от предъявляемых тре­бований по надежности переключаться в специи­альные виртуальные режимы работы, обеспечи­вающие увеличение показателей надежности.

Литература

1. Резиновский А.Я. Испытания на надежность радиоэлектронных комплексов. М.: Радио и связь, 1985. 34 с.
2. Дзиркал Э.В. Задание и проверка требований к надежности сложных изделий. М.: Радио и связь. 1981. 16 с.
3. Нетес В.А., Сметанин Л.Д. Применение коэффициента эффективности для оценки надежности средств связи // Электросвязь. 1988. № 12. 9 с.
4. Ziff-Davis Benchmark Operation. URL: http://www.zdnet. com/zdbop (дата обращения: 15.05.2012).