Автореферат (Разработка комплексной методики снижения влияния эффекта «старения» программного обеспечения на работу многомашинной вычислительной системы, построенной на основе технологии виртуальных машин)

На правах рукописиУДОВИЧЕНКОАнтон ОлеговичРазработка комплексной методики снижения влияния эффекта «старения»программного обеспечения на работу многомашинной вычислительной системы,построенной на основе технологии виртуальных машинСпециальность - 05.13.15Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сетиАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМОСКВА – 20152Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего профессионального образования «Московский государственныйуниверситет путей сообщения» (МИИТ).Научный руководитель:Соловьев Владимир Павлович, кандидаттехнических наук, доцентЗаведующий кафедрой «Информационныетехнологии» ФГБОУ ВПО «Московскийгосударственный университет путей сообщения»,ученый секретарь Ученого совета университетаОфициальные оппоненты:Гагарина Лариса Геннадьевна, доктор техническихнаук, профессорЗаведующий кафедрой «Информатика ипрограммное обеспечение вычислительных систем»Московского института электронной техники(национального исследовательского университета)Крепков Игорь Михайлович, кандидат техническихнаук, доцентЗаведующий кафедрой «Прикладной и бизнесинформатики» Московского энергетическогоинститута (национального исследовательскогоуниверситета)Ведущая организация:ОАО «Научно-исследовательский и проектноконструкторский институт информатизации,автоматизации и связи на железнодорожномтранспорте»Защита состоится «28» апреля 2015 г.

в 12 часов на заседании диссертационного советаД212.125.01приМосковскомавиационноминституте(национальномисследовательском университете) – МАИ по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3,Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета) – МАИ.Отзывы, заверенные печатью, просьба высылать по адресу: 125993, г.

Москва, А-80,ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, МАИ, Ученый совет МАИ.Автореферат разослан "___" ____________ 2015 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д212.125.01кандидат технических наук, доцентКорнеенкова А.В.3АктуальностьВ настоящее время компании и отдельные пользователи все больше зависят всвоей работе от эффективности работы вычислительных систем (ВС) и ожидаютсвоевременного и качественного получения доступа к информационным ресурсам. Втаких условиях с каждым годом возрастают требования к эффективностифункционирования ВС.Сложность современных ВС и не всегда высокое качество ПО выступают однимииз ключевых факторов нарушения работы ВС, которое проявляется в виде постепенногоснижения производительности программного обеспечения с последующим сбоем.Рассмотрим пример. Очень распространенной причиной нарушения являетсяневысвобождение оперативной памяти по завершению выполнения программой какойлибо задачи.

Допустим, некоторый сервер, выполняющий обслуживание пользователей,выделяет 120 Кб оперативной памяти под каждый запрос, но по окончании егообработки не освобождает 20 Кб ввиду особенностей своей работы. В результате черезнекоторое время это приведет к исчерпанию свободной оперативной памяти и какследствие к снижению производительности сервера или сбою.

О снижениипроизводительности ПО в процессе его непрерывного выполнения с последующемсбоем также говорят как о «старении» процесса выполнения ПО (или эффекте«старения» ПО). В англоязычной научной литературе для данной проблемыиспользуется специальный термин «software aging». Исследованию эффекта «старения»ПО посвящены работы зарубежных и отечественных исследователей, таких как AvritzerA., Castelli. V., Grottke M., Huang Y., Trivedi K., Vaidyanathan K., Ключников К. и др.Среди широко распространенных причин эффекта «старения» ПО, кроменевысвобождения оперативной памяти, выделяют невысвобождение файловыхдескрипторов, накопление незавершенных процессов, дефрагментация оперативнойпамяти. Практически единственным решением, позволяющим избавиться от даннойпроблемы, является выявление её источника и его устранение, например, на основезамены ПО или внесение изменений в его исходный код.

Сложность заключается в том,что источником эффекта «старения» ПО может выступать любая программа или дажегруппа программ, а наличие большого количества программ в ВС и сложность ихвзаимодействия делает решение данной задачи крайне сложной. Кроме того, устранениеодного источника не гарантирует возникновение нового и не всегда может бытьреализовано в силу экономических или технических причин. Как следствие, борьба сэффектом «старения» заключается в снижении его негативного влияния на работу ВС сиспользованием специальных методов, известных под термином «software rejuvenation».В научных работах по данной проблематике этот термин определяет метод регулярноговосстановления рабочего состояния программы с целью предотвращения серьезныхсбоев в будущем, где под рабочим состоянием программы понимается такое состояниееё выполнения, при котором вероятность возникновения сбоя близка к нулю.Примерами данных методов являются перезапуск программы и перезагрузка ОС.Одной из главных трудностей борьбы с эффектом «старения» является, тот факт,что существующие решения обладают высокими издержками, связанными, преждевсего, с остановкой выполнения программы в процессе восстановления.

Кроме того, запоследние несколько лет одним из наиболее значительных и быстро развивающихсянаправлений в корпоративных вычислениях стала технология виртуальных машин.Данная технология рассматривается специалистами как одна из ключевых технологийпостроения вычислительных систем. Работа технологии виртуальных машин строится4на основе разделения ресурсов физического компьютера между несколькими серверами.Одним из недостатков такого подхода является высокая зависимость эффективностиработы серверов от работы платформы виртуализации, нарушение её работы можетвести к нарушению работы всех серверов, размещенных на ней.Проведенный анализ существующих решений по борьбе с эффектом «старения»ПО показал: Применение существующих решений, либо связано с нарушением работыпользователей, например, остановкой выполнения программы в процессевосстановления её рабочего состояния, либо они обладают существеннымиограничениями, например, область восстановления ограничена компонентами толькоодной программы. Существующие решения обладают различными недостатками, такими как: слабаяустойчивость к изменениям работы программы и/или операционной системы (ОС),отсутствие возможности учета негативного воздействия метода восстановления наработу программы, высокая трудоемкость подготовки решения к работе.

Кроме того,решения нацелены на улучшение одного показателя эффективности работыпрограммы. Существующие решения не учитывают специфику технологии виртуальных машинпри борьбе с эффектом «старения» ПО, а именно размещение нескольких серверовна одной физическом компьютере.Подводя итог, можно сказать, что проблема снижения негативного влиянияэффекта «старения» ПО на работу ВС актуальна, в связи с этим требуется разработкакомплексной методики снижения влияния эффекта «старения» ПО на работумногомашинной вычислительной системы, построенной на основе технологиивиртуальных машин.Целью диссертационной работы является снижение доли потерянных запросов исреднего времени отклика серверов многомашинной вычислительной системы,построенной на основе технологии виртуальных машин, посредством примененияразработанной комплексной методики.Для разработки комплексной методики и достижения поставленной целинеобходимо решение следующих задач:1.

Разработка методов восстановления рабочего состояния программы, которыеобеспечивают восстановление вне зависимости от источника эффекта «старения»ПО, без прерывания обслуживания пользователей в процессе восстановления и нетребуют изменения исходного кода восстанавливаемой программы.2. Разработка методов определения времени начала восстановления, которыеучитывают негативное влияние на работу целевой программы, как эффекта«старения» ПО, так и метода её восстановления.3. Разработка метода планирования процессов восстановления рабочего состояния,который обеспечивает эффективное использование ресурсов ВС с точки зрениявозможности реализации процессов восстановления и их согласование с цельюулучшения двух показателей их реализации: своевременность и длительностьпроцесса восстановления.4.

Разработка общей схемы взаимодействия компонентов методики и политикиуправления процессами восстановления, обеспечивающие формирование целостногорешения и позволяющие улучшить эффективность работы ВС по двум показателям:5среднее время отклика и доля потерянных запросов.5. Программная реализация разработанной комплексной методики.6.

Проведение экспериментов для оценки эффективности работы комплекснойметодики с точки зрения эффективности работы ВС.Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методытеории вероятностей, теории многокритериальной оптимизации, регрессионногоанализа, теории приближения, системного анализа, декомпозиции систем. Приразработке программного обеспечения был использован объектно-ориентированныйподход.Новыми научными результатами и положениями, выносимыми на защиту,являются:1.

Набор методов восстановления рабочего состояния программы для платформывиртуализации (метод VMMR) и сервера (метод VMS), которые обладаютследующими преимуществами перед существующими методами восстановлениярабочего состояния программы:• обеспечивают восстановление вне зависимости от источника эффекта«старения» ПО;• не приводят к прерыванию обслуживания пользователей в процессевосстановления;• не требуют модификации исходного кода восстанавливаемой программы.2. Набор методов определения времени начала восстановления:• метод CBR основан на мониторинге характеристик выполнения целевойпрограммы и/или ОС и отличается от существующих методов тем, чтоориентирован на определение времени начала восстановления платформывиртуализации и обеспечивает учет характера изменения условий работыплатформы виртуализации;• метод ROR основан на мониторинге объема работы, выполненной целевойпрограммы, и отличается от существующих методов тем, что ориентирован наопределение времени начала восстановления сервера и обеспечивает учеттребований к эффективности его работы по двум показателям – времяобработки запросов и коэффициент готовности.3.

Метод планирования процессов восстановления RPRR, который обладаетследующими преимуществами перед существующими методами:• обеспечивает согласование процессов восстановления различных программ;• учитывает три показателя, характеризующих эффективность процессоввосстановления: количество виртуальных машин, активность которыхсохраняется в процессе восстановления, своевременность и длительностьпроцессов восстановления;• учитывает возможность перераспределения ресурсов ВС при реализациипроцессов восстановления рабочего состояния.4.