Надежность кластера при восстановлении с миграцией контейнеров

При проектировании высокодоступных отказоустойчивых распределенных компьютерных систем высокой готовности и с минимальными задержками обслуживания запросов все более востребованной становится технология консолидации резервированных вычислительных ресурсов на основе их объединения в кластеры с контейнерной виртуализацией. Для обоснования выбора и возможной структурно-параметрической оптимизации построения отказоустойсчивого кластера рассматриваемого класса необходимо создание аналитической модели его надежности, учитывающей особенности функционирования виртуальных контейнеров, в том числе процессы их миграции, восстановления и реконфигурации кластера при отказах узлов. Цель статьи — построение аналитической модели надежности многоузлового кластера с контейнерной виртуализацией при объединении в нем компьютерных узлов — серверов с развернутыми в них контейнерами. Предложена марковская модель кластера, отражающая двухэтапный процесс восстановления его узлов: на первом этапе выполняется физический ремонт отказавшего сервера, на втором — последовательная миграция и загрузка контейнеров в него. Представлен анализ зависимости коэффициента готовности кластера от его структурных и эксплуатационных параметров: числа серверов, числа развертываемых контейнеров, а также интенсивностей отказов и восстановления оборудования. Предложенная модель может служить основой для обоснования выбора проектных решений при создании отказоустойчивых кластеров контейнерной виртуализации и облачных платформ.

1. Aysan H. Fault-Tolerance Strategies and Probabilistic Guarantees for Real-Time Systems. Vasteras, Sweden, Malardalen University, 2012. 190 p.

2. Kopetz H. Real-Time Systems: Design Principles for Distributed Embedded Applications. Springer, 2011. 396 p. DOI: 10.1007/978-1-4419-8237-7.

3. Sorin D. J. Fault Tolerant Computer Architecture. Morgan & Claypool, 2009. 103 p.

4. Koren I., Krishna C. M. Fault Tolerant Systems. San Francisco: Morgan Kaufmann Publ., 2009. 378 p.

5. Goyal P., Deora S. S. Reliability of Trust Management Systems in Cloud Computing // Indian Journal of Cryptography and Network Security. 2022. Vol. 2. N 1. P. 1–5. DOI: 10.54105/ijcns.C1417.051322.

6. Херсонский Н. С., Большедворская Л. Г. Анализ развития статистических методов оценки надежности как свойства качества объектов и продукции // Crede Experto: транспорт, общество, образование, язык. 2024. № 1. С. 6–23. DOI: 10.51955/2312-1327_2024_1_6.

7. Srivastava A., Kumar N. Queueing model based dynamic scalability for containerized cloud // Intern. Journal of Advanced Computer Science and Applications. 2023. Vol. 14, N 1. P. 465–472. DOI: 10.14569/IJACSA-.2023.0140150.

8. Gurjanov A. V., Korobeynikov A. G., Zharinov I. O., Zharinov O. O. Edge, fog and cloud computing in the cyberphysical systems networks // III Intern. Workshop on Modeling, Information Processing and Computing. 2021. P. 103–108.

9. Shukur H. M., Zeebaree S. R. M., Zebari R. R., Zeebaree D. Q., Ahmed O. M., Salih A. A. 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. Kushchazli A., Safargalieva A., Kochetkova I., Gorshenin A. Queuing model with customer class movement across server groups for analyzing virtual machine migration in cloud computing // Mathematics. 2024. Vol. 12, N 3. P. 468. DOI: 10.3390/math12030468.

11. Tatarnikova T. M., Arkhiptsev E. D. Designing fault-tolerant systems with micro-service architecture // Proc. of the 27th Intern. Conf. on Soft Computing and Measurements (SCM). 2024. P. 348–351. DOI: 10.1109/SCM62608.2024.10554143.

12. Богатырев В. А., Богатырев С. В. Резервированная передача данных через агрегированные каналы в сети реального времени // Изв. вузов. Приборостроение. 2016. Т. 59, № 9. С. 735–740.

13. Sovetov B. Ya., Tatarnikova T. M., Poymanova E. D. Storage scaling management model // Information and Control Systems. 2020. N 5 (108). P. 43–49. DOI: 10.31799/1684-8853-2020-5-43-49.

14. Крылов Д. Р., Пойманова Е. Д., Тюрликов А. М. Модель реплицируемой системы хранения данных с использованием среднего возраста информации в качестве показателя актуальности данных // Информационноуправляющие системы. 2024. № 3. C. 11–23. DOI:10.31799/1684-8853-2024-3-11-23.

15. Богатырев В. А., Богатырев А. В. Оптимизация резервированного распределения запросов в кластерных системах реального времени // Информационные технологии. 2015. Т. 21, № 7. С. 495–502.

16. Богатырев В. А., Богатырев А. В., Богатырев С. В. Оценка надежности выполнения кластерами запросов реального времени // Изв. вузов. Приборостроение. 2014. Т. 57, № 4. С. 46–48.

17. Arustamov S. A., Bogatyrev V. A., Polyakov V. I. Back up data transmission in real-time duplicated computer systems // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2016. Vol. 451. P. 103–109.

18. Богатырев В. А. Оценка надежности и оптимальное резервирование кластерных компьютерных систем // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. № 10. С. 18–21.

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

20. Bogatyrev V., Derkach A. Evaluation of a cyber-physical computing system with migration of virtual machines during continuous computing // Computers. 2020. Vol. 9, N 2. P. 42.

21. 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.

22. Богатырев В. А., Фунг В. К. Оценка надежности восстанавливаемого кластера контейнерной виртуализацией // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2025. Т. 25, № 5. С. 988–995. DOI: 10.17586/2226-1494-2025-25-5-988-995.

23. Фунг В., 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.

24. Compastié M., Badonnel R., Festor O., He R. From virtualization security issues to cloud protection opportunities: An in-depth analysis of system virtualization models // Computers & Security. 2020. V. 97. P. 101905. DOI: 10.1016/j.cose.2020.101905.

25. Choudhary A., Govil M. C., Singh G., Awasthi L. K., Pilli E. S., Kapil D. A critical survey of live virtual machine migration techniques // Journal of Cloud Computing. 2017. Vol. 6. P. 23. DOI: 10.1186/s13677-017-0092-1.