Многокритериальная оптимизация структуры кластера с контейнерной виртуализацией

Обсуждается практика развертывания приложений в виде контейнеров, получившая в последние годы широкое распространение благодаря высокой эффективности и гибкости в управлении вычислительными ресурсами. Контейнеризация позволяет ускорить разработку и развертывание программного обеспечения, повышает стабильность, производительность и надежность работы приложений при адаптивной реконфигурации системы к изменениям потоков запросов и накоплению отказов. При обосновании выбора проектных решений эффективность кластерных систем с контейнерной виртуализацией оценивается по прибыли, получаемой от эксплуатации системы в единицу времени. Эта прибыль зависит от влияния числа развертываемых контейнеров на задержки обслуживания запросов и на поддержку инфраструктуры. Трудность оценки среднего времени ожидания запросов в узлах кластера обусловлена сложным влиянием при контейнерной виртуализации динамического разделения общих вычислительных ресурсов узлов между активными контейнерами на их производительность. Цель статьи — повышение эффективности функционирования кластерных систем контейнерной виртуализации при адаптивной реконфигурации числа узлов и развернутых в них контейнеров в зависимости от интенсивности потоков запросов, поступающих в кластер. Выбор конфигурации кластера осуществляется с учетом снижения эксплуатационных расходов и повышения прибыли от своевременного и безошибочного выполнения функциональных запросов.

1. Koren H. Fault Tolerant Systems. San Francisco: Morgan Kaufmann Publ., 2009. P. 309.

2. Половко А. М., Гуров С. В. Основы теории надежности. СПб: БХВ-Петербург, 2006. 702 с.

3. Черкесов Г. Н. Надежность аппаратно-программных комплексов. СПб: Питер, 2005. 479 с.

4. Aysan H. Fault-tolerance strategies and probabilistic guarantees for real-time systems Mälardalen University: Extended abstract of Doctorʼs Thesis. Västeräs, Sweden, Mälardalen Univ. 2012.

5. Shubinsky I. B., Rozenberg I. N., Papic L. Adaptive fault tolerance in real-time information systems // Reliability: Theory & Applications. 2017. Vol. 12, N 1(44). P. 18–25.

6. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979. 432 с.

7. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979. 600 с.

8. Sanjay H., Ahirwar P., Rajan S. Containerization: cloud computing based inspiration Technology for Adoption through Docker and Kubernetes // 2nd Intern. Conf. on Electronics and Sustainable Communication Systems. 2021. DOI: 10.1109/ICESC51422.2021.9532917.

9. Hanan S. et al. Cloud computing virtualization of resources allocation for distributed systems // Journal of Applied Science and Technology Trends. 2020. Vol. 1. N 2. P. 98–105. DOI: 10.38094/jastt1331.

10. Ouafa B., Belloum A. S. Z., Sebaa A., El-Maouhab A. Containerization technologies: Taxonomies, applications and challenges // Journal of Supercomputing. 2022. Vol. 78, N 1. P. 1144–1181. DOI: 10.1007/s11227-021-03914-1.

11. Kim S., Choi Y. Constraint-aware VM placement in heterogeneous computing clusters // Cluster Computing. 2020. Vol. 23. P. 71–85. DOI: 10.1007/s10586-019-02966-6.

12. Богатырев В. А., Богатырев А. В. Надежность функционирования кластерных систем реального времени с фрагментацией и резервированным обслуживанием запросов // Информационные технологии. 2016. Т. 22, № 6. С. 409–416.

13. Татарникова Т. М., Архипцев Е. Д., Кармановский Н. С. Определение размера кластера и числа реплик высоконагруженных информационных систем // Изв. вузов. Приборостроение. 2023. Т. 66, № 8. С. 646–651.

14. Богатырев В. А. Надежность и эффективность резервированных компьютерных сетей // Информационные технологии. 2006. № 9. С. 25–30.

15. Богатырев В. А. Оценка надежности и оптимальное резервирование кластерных компьютерных систем // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. № 10. С. 18.

16. Пастушок И. А., Тюрликов А. М. Анализ скорости алгоритма случайного доступа с разной длительностью слотов на основе алгоритма АЛОХА // Изв. вузов. Приборостроение. 2024. Т. 67, № 9. С. 759–766. DOI: 10.17586/0021-3454-2024-67-9-759-766.

17. Астахова Т. Н., Верзун Н. А., Колбанев М. О., Полянская Н. А., Шамин А. А. Вероятностно-энергетические характеристики взаимодействия умных вещей // Вестн. НГИЭИ. 2019. № 4 (95). С. 66–77.

18. Zakoldaev D. A., Korobeynikov A. G., Shukalov A. V., Zharinov I. O. Workstations Industry 4.0 for instrument manufacturing // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 665. P. 012015. DOI: 10.1088/1757-899X/665/1/012015.

19. Астахова Т. Н., Колбанёв М. О., Лямин А. С., Маслов Н. С., Маслова Д. А. Энергоэффективный алгоритм выбора маршрута передачи данных в беспроводных сенсорных сетях высокой плотности // Тр. учебных заведений связи. 2024. Т. 10, № 4. С. 100–109.

20. Богатырев В. А., Богатырев С. В., Богатырев А. В. Оценка готовности компьютерной системы к своевременному обслуживанию запросов при его совмещении с информационным восстановлением памяти после отказов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23, № 3. С. 608–617. DOI: 10.17586/2226-1494-2023-23-3-608-617.

21. Bogatyrev V. A., Bogatyrev S. V., Bogatyrev A. V. Recovery of Real-Time Clusters with the Division of Computing Resources into the Execution of Functional Queries and the Restoration of Data Generated Since the Last Backup // Lecture Notes in Computer Science. 2024. Vol. 14123. P. 236–250. DOI: 10.1007/978-3-031-50482-2_19.

22. Bogatyrev V. A., Bogatyrev A. V., Bogatyrev S. V. Multipath Transmission of Heterogeneous Traffic in Acceptable Delays with Packet Replication and Destruction of Expired Replicas in the Nodes that Make Up the Path // Communications in Computer and Information Science. 2023. Vol. 1748. P. 104–121. DOI: 10.1007/978-3-031-30648-8_9.

23. Bogatyrev V. A., Bogatyrev S. V., Bogatyrev A. V. Choosing the Discipline of Restoring Computer Systems with Acceptable Degradation with Consolidation of Node Resources Saved After Failures // Intern. Conf. on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT). 2022. P. 1–4. DOI: 10.1109/ICCT56057.2022.997660.

24. Фунг В. К., Богатырев В. А. Экспериментальное исследование производительности кластера с контейнерной виртуализацией // Изв. вузов. Приборостроение. 2024. Т. 67. № 8. С. 647–656.

25. Фунг В. К., Богатырев В. А., Кармановский Н. С., Лэ В. Х. Оценка вероятностно-временных характеристик компьютерной системы с контейнерной виртуализацией // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024. Т. 24, № 2. С. 249–255. DOI: 10.17586/2226-1494-2024-24-2-249-255.