Разработка отказоустойчивой операционной системы реального времени для вычислительных систем с максимальным рангом отказоустойчивости

|3 | |1год= |0.084 |5,91?10-4 |4,96?10-5 |4,2?10-6|3,5?10-7|2,9?10-8|2,46?10-|2?10-10 |1,7?10-|

| | | | | | | | | |9 | |11 |

| | |8766 час| | | | | | | | | |

|4 | |5лет= |0.355 |0,047 |1,586?10-2|5,6?10-3|2?10-3 |7,1?10-4|2,5?10-4|8,9?10-5|3,16?10|

| | | | | | | | | | | |-5 |

| | |43830 | | | | | | | | | |

| | |час | | | | | | | | | |

|5 | |10лет= |0.584 |0,2 |0,116 |0,068 |0,04 |0,023 |0,0135 |7,9?10-3|4,6?10-|

| | | | | | | | | | | |3 |

| | |87660час| | | | | | | | | |

|6 | |11,4г.= |0.632 |0,252 |0,16 |0,1 |0,064 |0,04 |0,025 |0,016 |0,01 |

| | |105час | | | | | | | | | |

|7 | |15лет= |0.73 |0,391 |0,286 |0,21 |0,153 |0,11 |0,082 |0,06 |0,044 |

| | |131490ча| | | | | | | | | |

| | |с | | | | | | | | | |

|8 |KN(N-1) |1 |1,83 |2,08 |2,28 |2,45 |2,59 |2,72 |2,82 |2,92 |

Для упрощения анализа таблицы построим два графика, отражающих

увеличение надежности системы с наращиванием аппаратной части (рис. 2.10 и

рис. 2.11).

[pic]

Рис. 2.10. Коэффициент надежности.

[pic]

Рис 2.11. Вероятность отказа ВС типа N(N-1) за 10 лет.

Анализ кривых показывает, что среднее время безотказной работы

увеличивается в 2-3 раза по сравнению со средним временем безотказной

работы одного ПЭ при наращивании вычислительных ресурсов в 5-7 раз и далее

стабилизируется и возрастает незначительно. Вероятность отказа систем с

рангом отказоустойчивости N(N-1) резко уменьшается при рассмотрении ВС типа

5(4) – 7(6) и далее ее снижение незначительно.

Таким образом, при построении отказоустойчивых вычислительных систем

рекомендуется выбирать системы с характеристиками 5(4) – 7(6), с учетом

ограничения массы, энергопотребления и др. характеристик.

2.7. Выводы к главе 2

Подводя итог, стоит еще раз отметить, что надежность ВС в процессе

эксплуатации складывается из надежности аппаратной и программной компонент

системы. В связи с этим были рассмотрены виды и причины отказов при работе

ВС, причем особое внимание уделялось возникновению ошибок вследствие

неисправностей аппаратных компонент системы, так как ошибки программного

обеспечения означают, что они не были выявлены на этапе тестирования.

Для обеспечения надежного решения задач в условиях отказов

применяются два подхода – восстановление и предотвращение отказа системы

(отказоустойчивость). При создании специализированной ОСРВ, предпочтение

отдано второму подходу, поскольку восстановление в ряде случаев может быть

связано со значительными затратами процессорного времени и (или)

прерыванием вычислительного процесса. В связи с этим рассмотрены механизмы

обеспечения отказоустойчивости, основными из которых являются протоколы

голосования и принятия коллективного решения.

Введено понятие ранга отказоустойчивости, описана структура ОСРВ и

концепция работы системы с рангом отказоустойчивости N(N-1). Дано описание

системных таблиц, структуры и взаимодействия модулей ОСРВ таких как

маршрутиатор, реконфигуратор, модуль коммункации, голосования и анализа

отказов.

Рассмотрен пример организации отказоустойчивых вычислений на примере

пятиузловой полносвязной ВС в условиях постоянной деградации, приведена

логика анализа отказа в условиях ординарного потока отказов.

В заключении произведена оценка надежностных характеристик ВС с

рангом отказоустйчивости N(N-1) и рассчитаны характеристики систем 1(0) –

10(9). Анализ характеристик выявил значительне увеличение времени

безотказной работы системы с увеличением числа ПЭ и уменьшение вероятности

отказа всей системы. Например, вроятность отказа системы 5(4) за 10 лет с

временем безотказной работы одного ПЭ 10000 часов составила 0,068, что

меньше вероятности отказа одного ПЭ за тот же период в 8,5 раз. Исходя из

этих результатов были сделаны рекомендации по выбору типа ВС при ее

проектировании.

3. Программное обеспечение модели отказоустойчивой ВС

Основными задачами при разработке программной модели отказоустойчивой

ВС, функционирующей под управлением распределенной ОСРВ, стали следующие:

1. Реализовать аппаратно-независимые модули обеспечения

отказоустойчивости ОСРВ.

2. Моделировать ВС любой топологии (3-10 ПЭ).

3. Возможность обеспечить логику проверки модулей ОСРВ с помощью

команд оператора.

4. Обеспечить работу модели в условиях «мягкого» реального времени.

Таким образом, программное обеспечение было разбито на две части:

1. ПО узла ВС Proc.

2. ПО подсистемы проверки Host.

3.1 Программное обеспечение модели узла ВС

Структура программного обеспечения модели узла ВС представлена на рис

3.1. В общем виде функционирование ПО узла ВС осуществляется по графу

управления (циклограмме), представленной на рис. 6.3 технологической части,

а логика работы подробно описана в главе 2.

Для реализации модели была выбрана ОС Windows 98/2000, так как на

данном этапе не ставилась задача тестирования ПО ВС в условиях жесткого

реального времени, а семантически механизмы обеспечения многопроцессности,

синхронизации, ввода-вывода практически идентичны механизмам большинства

ОСРВ.

[pic]

Рис. 3.1. Взаимодействие модулей узла ВС

ПО узла ВС разбито на модули, структура которых представлена в таблице

3.1. Описание функций, реализующих данные модули, представлено в таблицах

3.2, 3.3, 3.4, 3.5.

Таблица 3.1

Описание составляющих модулей текстового редактора

|Модуль |Описание |

|Main.cpp |Центральный модуль. Запуск инициализации системы. Запуск|

| |маршрутизатора. Запуск модуля эмуляции каналов связи. |

| |Запуск ФЗ. |

|Router.cpp |Функции маршрутизатора |

|Commun.cpp |Функции модуля коммуникации |

|Vote.cpp |Функции голосования и анализатора отказов. |

|task.cpp |Функциональная задача. |

Таблица 3.2

Функции, реализующие маршрутизатор

|Имя |Описание |

|void router() |Формирование таблиц рассылки методом волны |

|void GetRoute(int |Поиск всех кратчайших по числу транзитных |

|CpuNum) |передач путей в графе ВС до узла CpuNum. |

Таблица 3.3

Функции, реализующие модуль коммуникации

|Имя |Описание |

|int InitLinkEmul (const|Инициализация модуля эмуляции каналов связи по |

|char *IniFile) |файлу инициализации IniFile, выделение буферов |

| |приема информации для каждого канала, создание |

| |и соединение каналов связи (неименованные |

| |каналы или сокеты). |

| |Возвращает 0 в случае успеха, -1 – в случае |

| |ошибки в файле IniFile. |

|void FinishLinkEmul |Завершение работы модуля эмуляции каналов |

|(void) |связи. |

|static SOCKET |Создание клиентского сокета номером Port и |

|ConnectServerSocket |соединение его с сервером. |

|(const char *ServName, | |

|int Port) | |

|static SOCKET |Создание серверного сокета номером Port и |

|CreateServerSocket |ожидание соединения с клиентом. |

|(SOCKET *PrimSock, int | |

|Port) | |

|static int |Создание серверного неименованного канала с |

|CreatePipeServer (int |номером Port. По указателям pipeRead и |

|Port, HANDLE *pipeRead,|pipeWrite возвращаются файловые дескрипторы на |

|HANDLE *pipeWrite) |чтение и запись. |

|static int |Создание клиентского неименованного канала с |

|CreatePipeClient (int |номером Port. По указателям pipeRead и |

|Port, HANDLE *pipeRead,|pipeWrite возвращаются файловые дескрипторы на |

|HANDLE *pipeWrite) |чтение и запись. |

|int LinkOut (int Link, |Посылка данных по заданному каналу связи Link, |

|void *Addr, int Length)|начиная с адреса Addr, Length байт с приемом |

| |квитанции от адресата. |

|int LinkIn (int Link, |Прием данных по заданному каналу связи Link, в |

|void *Addr, int Length)|буфер начиная с адреса Addr, Length байт с |

| |контролем целостности пакета и отправкой |

| |квитанции. |

|int Receive (int Chan, |Выборка данных из канального буфера Chan, |

|int From, void |пришедших от ПЭ From, начиная с адреса Addr, |

|*DataAddr, int |Length байт. |

|DataLength) | |

|int Send (int Chan, |Посылка данных по каналу Chan, начиная с адреса|

|void *DataAddr, int |DataAddr, длиной DataLength байт. |

|DataLength) | |

|static DWORD WINAPI |Задача прослушивания канала связи lpvThreadParm|

|LinkThreadFunc (LPVOID |в фоновом режиме, расшифровка заголовка пакета,|

|lpvThreadParm) |прием информационных частей посылки, запись в |

| |канальный буфер, выдача сигнала о приходе |

| |данных. |

Таблица 3.4

Функции, реализующие модуль голосования и анализатора отказов

|Имя |Описание |

|void |Переинициализация буферов голосования |

|InitializeVoteBuffers()| |

|void RestoreCpuFault() |Сброс информации о накопленных отказах ПЭ |

|void RestoreLinkFault()|Сброс информации о накопленных отказах каналов |

| |связей |

|int compare(struct |Провести элементарную проверку (сравнение) |

|BUFFER b1,struct BUFFER|буферов функциональной информации |

|b2) | |

|int TrippleFault() |Определение сбоя одного и того же элемента ВС |

| |на протяжении трех циклов. |

|void consolidate() |Функция анализа отказов, принятие |

| |консолидированного решения, активизации |

| |реконфигуратора. |

|void VoteThread() |Задача голосования, активизирующаяся по |

| |заполнению канальных буферов, активизирующая |

| |обмен в сети результатами голосования и |

| |передающая управление анализатору отказов. |

Таблица 3.5

Функции, реализующие реконфигуратор

|Имя |Описание |

|static int |Проверка изолированности ПЭ Cpu. |

|CheckCpuLinks (int Cpu)| |

|void reconfig(struct |Процедура реконфигурации, путем изменения |

|SYSTEM* M) |системных таблиц по информации об отказе. |

| |Активизация маршрутизатора для перестройки |

| |системных таблиц. |

Таблица 3.6

Функции, реализующие функциональную задачу

|Имя |Описание |

|void TaskLoop() |Функция исполнения ФЗ (на данном этапе ФЗ – |

| |набор последовательных простейших операторов) |

| |по информации от объекта управления. |

| |Завершается отсылкой результатов для |

| |голосования другим ПЭ и передачей управления |

| |задачам прослушивания и голосования. |

Дополнительные функции, обеспечивающие моделирование отказов в рамках

своего ПЭ, представлены в таблице 3.7.

Таблица 3.7

Функции, реализующие моделирование отказа

|Имя |Описание |

|void KillCpu( int |type=1 – фатальный отказ ПЭ, приостановка всех |

|Cpu, int type ) |канальных потоков и ФЗ. |

| |type=0 – отказ ФЗ, внесение искажений при |

| |вычислении ФЗ. |

|void KillLink( int |Завершает соответствующий канальный поток, в |

|Link, int type ) |случае фатального отказа (type=0), или дает |

| |указание модулю коммуникации отсылать ошибочные |

| |пакеты (type=1). |

Диспетчеризация процессов в ПЭ происходит на уровне операционной системы,

передача управления происходит с помощью таких механизмов, как семафоры и

события. Во время ожидания на прием управления задачи находятся в спячке,

почти не занимая процессорного времени. Процесс передачи управления

приведен на рис. 3.2. При этом:

Процесс 1: Функциональная задача;

Процесс 2: Прослушивание канала связи с ОУ;

Процесс 3: Процесс голосования и анализа отказов;

Процесс 4: Реконфигурация;

Процесс 5: Отправка согласованных данных;

Процесс 6 .. N+6: Прослушивание N каналов связи с ПЭ ВС;

[pic]

Рис. 3.2. Диспетчеризация процессов.

Поскольку используются функции блокирующего ввода-вывода базовой ОС,

в случае отсутствия данных на входе задача прослушивания канала связи

помещается в состояние спячки, практически не занимая при этом

процессорного времени, и активизируется только по приходу данных. После

этого загружается тело посылки. Далее определяется адресат, и если посылка

предназначена другому ПЭ, то посылка передаётся дальше по информации от

маршрутизатора, в противном случае производится контроль заголовка

(ошибочные посылки игнорируются). При наличии места данные попадают в

соответствующий буфер. При наличии данных во всех предварительных буферах,

производится голосование и запись результата во входной буфер канала.

3.2 Программное обеспечение подсистемы проверки

Данный модуль призван обеспечить следующие функции:

. Отображение текущей топологической информации ВС.

. Отображение вычислительного процесса в ВС.

. Возможность моделирования различных отказов ВС.

Для обеспечения удобного интерфейса, приложение было сделано в виде

диалогового окна с помощью библиотеки классов Windows MFC (Microsoft

Foundation Classes).

[pic]

Рис. 3.3. Диалоговое окно программы Host.

Функциональное назначение элементов диалогового окна представлено в таблице

3.6.

Таблица 3.6

Назначение и функции элементов диалога

|Элемент |Описание |

|Панель «Отказ |Содержит три связанных элемента: |

|линка» | |

| |Переключатели (Radio Group) задания вида отказа линка, |

| |при этом «Фатальный отказ» означает полное прекращение |

| |передачи информации, а «Некорректная передача» - |

| |искажение передаваемых пакетов. |

| |Поля «ПЭ» и «Линк» задают номер ПЭ и номер канала связи|

| |для моделирования отказа. |

| |Кнопка «Задать» активизирует передачу управляющей |

| |информации заданному ПЭ. |

|Панель «Отказ |Содержит два связанных элемента: |

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10