МАСШТАБИРУЕМАЯ ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ В БОРТОВОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ АНПА

  • Н.В. Колесов АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
  • Е.В. Лукоянов АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
  • В.С. Тюльников АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
  • Р.Л. Крючков АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
Ключевые слова: Отказоустойчивость, энергоэффективность, распределенные вычислительные системы, масштабируемые системы, автономные необитаемые подводные аппараты

Аннотация

Рассмотрению вопросов разработки распределенных вычислительных систем (РВС)
уделяется большое внимание в современной научно-технической литературе. При этом, как
правило, в работах обсуждается только один из наиболее значимых аспектов, например,
производительность, надежность, отказоустойчивость, энергоэффективность и масшта-
бируемость. Основной вклад настоящей статьи состоит в попытке комплексного рассмот-
рения проблемы проектирования РВС, опирающегося на пример многоканальной бортовой
РВС обработки информации автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА). Це-
лью статьи является формулировка единой концепции многоканальной бортовой РВС обра-
ботки информации в реальном времени. В результате предложены архитектура и принципы
функционирования многоканальной бортовой РВС, основывающиеся на известных подходах к
обеспечению отказоустойчивости и энергоэффективности, но учитывающие особенности
масштабируемых систем. Предлагаемые решения можно рассматривать как усиление тра-
диционных подходов к проектированию масштабируемых систем. Отказоустойчивость
достигается путем применения средств тестового диагностирования. При этом для сокра-
щения сложности этих средств в каждый программный модуль (ПМ) системы предвари-
тельно вводится избыточность, для которой далее строится тест. В работе показывается,
что этот тест обнаруживает ошибки в адресации обменов между функциональными бло-
ками ПМ, реализующими процесс обработки информации. По результатам анализа реакции
на тест происходит обнаружение отказавшего ПМ, после чего он прекращает свою работу,
а вместо него запускается новый ПМ, реализующий тот же процесс. Предложения в части
энергоэффективности рассчитаны на случай присутствия в системе избыточных процессо-
ров (в том числе многоядерных), которые привлекаются к исполнению ПМ системы с одно-
временным снижением тактовой частоты и напряжения питания. Поскольку потребляемая
в РВС мощность существенно зависит от этих параметров, происходит ее заметное сни-
жение. Для решения задачи используется оптимальный жадный алгоритм, предполагающий
последовательное введение в систему дополнительных процессоров. Важно, что данное
предложение по увеличению энергоэффективности РВС сообщает последней дополнитель-
ные возможности по отказоустойчивости. Практическая значимость предложенной кон-
цепции заключается в возможности её использования не только в АНПА, но и в других случа-
ях комплексного проектирования современных масштабируемых многоканальных бортовых
РВС обработки информации в реальном времени с повышенными требованиями по отказо-
устойчивости и энергоэффективности.

Литература

1. Ramírez I. S., Bernalte Sánchez P. J., Papaelias M., Márquez F. P. G. Autonomous underwater
vehicles and field of view in underwater operations, Journal of Marine Science and Engineering,
2021, Vol. 9, No. 3, pp. 277.
2. Yang Y., Xiao Y., Li T. A survey of autonomous underwater vehicle formation: Performance,
formation control, and communication capability, IEEE Communications Surveys & Tutorials,
2021, Vol. 23, No. 2, pp. 815-841.
3. Sahoo A., Dwivedy S.K., Robi P.S. Advancements in the field of autonomous underwater vehicle,
Ocean Engineering, 2019, Vol. 181, pp. 145-160.
4. Inzartsev A.V., Kiselev L.V., Kostenko V.V., Matvienko Yu.V., Pavin A.M., Shcherbatyuk A.F.
Podvodnye robototekhnicheskie kompleksy: sistemy, tekhnologii, primenenie [Underwater robotic
complexes: systems, technologies, application]. Vladivostok: Institut problem morskikh
tekhnologiy Dal'nevostochnogo otdeleniya Rossiyskoy akademii nauk, 2018, 368 p.
5. Kolesov N.V., Tolmacheva M.V., Yukhta P.V. Sistemy real'nogo vremeni. Planirovanie, analiz,
diagnostirovanie [Real-Time Systems: Planning, Analysis, Diagnostics]. St. Petersburg:
OAO "Kontsern "TSNII "Elektropribor", 2014, 185 p.
6. Kshemkalyani A. D., Singhal M. Distributed computing: principles, algorithms, and systems.
Cambridge University Press, 2011, 731 p.
7. Toporkov V.V. Modeli raspredelennykh vychisleniy [Models of Distributed Computing]. Moscow:
Fizmatlit, 2011. – 320 s.
8. Voevodin V.V., Voevodin Vl.V. Parallel'nye vychisleniya [Parallel computing]. St. Petersburg:
BKhV-Peterburg, 2002, 608 p.
9. Kapitonova Y.V., Kovalenko N.S., Pavlov P.A. Optimality of systems of identically distributed
competing processes, Cybernetics and Systems Analysis, 2005, Vol. 41, No. 6, pp. 793-799.
10. Pavlov P.A. Effektivnost' raspredelennykh vychisleniy v masshtabiruemykh sistemakh [Efficiency
of distributed computing in scalable systems], Informatika, telekommunikatsii i upravlenie [Informatics,
telecommunications and management], 2010, Vol. 93, No. 1, pp. 83-89.
11. Gruzlikov A.M., Kolesov N.V. Diskretno-sobytiynaya diagnosticheskaya model' raspredelennoy
vychislitel'noy sistemy. Nezavisimye tsepi [Discrete-event diagnostic model for a distributed
computational system. Independent chains], Avtomatika i telemekhanika [Automation and
Remote Control], 2016, No. 10, pp. 140-155.
12. Gruzlikov A.M., Kolesov N.V., Lukoyanov E.V., Tolmacheva M.V. Diagnosticheskaya model'
dlya raspredelennoy vychislitel'noy sistemy real'nogo vremeni Diagnostic model for a distributed
real-time computing system], Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Teoriya i sistemy
upravleniya [Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Theory and control systems],
2020, No. 5, pp. 44-55.
13. Burdonov I.B., Kosachev A.S., Kulyamin V.V. Ispol'zovanie konechnykh avtomatov dlya
testirovaniya programm [The use of finite automata for program testing], Programmirovanie
[Programming], 2000, Vol. 26, No. 2, pp. 61-73.
14. Cassandras C.G., Lafortune S. Introduction to discrete event systems. Boston, MA: Springer
US, 2008, 848 p.
15. Zaytoon J., Lafortune S. Overview of fault diagnosis methods for discrete event systems, Annual
Reviews in Control, 2013, Vol. 37, No. 2, pp. 308-320.
16. Preparata F. P., Metze G., Chien R. T. On the connection assignment problem of diagnosable
systems, IEEE Transactions on Electronic Computers, 1967, No. 6, pp. 848-854.
17. Gruzlikov A.M., Kolesov N.V., Kostygov D.V., Tolmacheva M.V. A real-time fault-tolerant and
power-efficient multicore system on chip, 2019 IEEE 13th International Symposium on Embedded
Multicore/Many-core Systems-on-Chip (MCSoC). IEEE, 2019, pp. 354-361.
18. Moldovanova O.V. Adaptivnyy algoritm detsentralizovannoy samodiagnostiki
raspredelennykh vychislitel'nykh sistem razlichnykh topologiy [Adaptive algorithm for decentralized
self-diagnostics of distributed computing systems of various topologies], Vestnik
SibGUTI [Vestnik SibGUTI], 2013, Vol. 22, No. 2, pp. 22-30.
19. Panda P.R., Shrivastava A., Silpa B.V.N., Gummidipudi K. Power-efficient system design.
Springer Science & Business Media, 2010, 253 p.
20. Rubavani R., Saranraj S., Saranya S., Ranjani Devi R. Power efficient scheduling for network
on chip applications on multicore processor, International Journal of Applied Engineering
Research, 2016, Vol. 11, No. 7, pp. 4751-4757.
21. Gruzlikov A.M., Kolesov N.V., Kostygov D.V., Oshuev V.V. Energoeffektivnoe planirovanie v
raspredelennykh vychislitel'nykh sistemakh real'nogo vremeni [Energy-efficient planning in
real-time distributed computing systems], Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Teoriya i
sistemy upravleniya [News of the Russian Academy of Sciences. Theory and control systems],
2019, No. 3, pp. 66-76.
Опубликован
2023-04-10
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ V. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗРЕНИЕ