Оценка критериев принятия решений при выборе заявок на проектирование инфокоммуникационных сервисов в условиях нестационарного потока ресурсов

Для функционирования распределенных предприятий, таких как корпоративные объединения, расширенные предприятия, адаптивные цепи поставок, необходимо развёртывание надежной инфокоммуникационной среды. Обеспечение непрерывных процессов реструктуризации, изменения состава, структуры, взаимосвязей требует решения задач развёртывания дополнительных инфокоммуникационных сервисов, видоизменения действующих и вывода из эксплуатации потерявших свою актуальность. При этом под инфокоммуникационным сервисом понимается способ предоставления ценности заказчикам через содействие им в получении конечных результатов, которых заказчики хотят достичь без владения специфическими затратами и рисками [1].

Поддержка и развитие множества выделенных инфокоммуникационных сервисов получили название сервис-ориентированного подхода (ІТЅМ). Он предполагает, что всё планирование и управление должно основываться на потребностях организации в инфокоммуникационных сервисах, которые организация использует в своей деятельности, то есть на результатах работы инфокоммуникационных сервисов для пользователей [2].

С течением времени изменение организации приводит к возникновению новых задач взаимодействия отдельных структурных единиц корпорации, которые требуют создания дополнительных инфокоммуникационных сервисов. Сами инфокоммуникационные сервисы строятся на базе ресурсов, под которыми подразумеваются аппаратное и программное обеспечение, технические средства, лицензии. Ограниченность ресурсов, выделяемых на инфокоммуникационную среду предприятий, обосновывает актуальность задачи выбора заявок на создание и модернизацию инфокоммуникационных сервисов для реализации из их всего множества. Если ресурсы у организации присутствуют в полном объеме, то проблем выбора заявок не возникает, можно выполнить все поступившие заявки.

Актуальным становится разработка новых алгоритмов распределения ресурсов для инфо-коммуникационных сервисов организации в условиях неопределенности при нестационарности потоков ресурсов. Неопределенность заключается в том, что точно неизвестно, какие именно ресурсы поступят в организацию и какие будут задачи по созданию инфокоммуникационных сервисов. При этом задача принятия решения по созданию инфокоммуникационных сервисов осложняется нестационарным характером потока заявок.

Постановка задачи

Задача оценки критериев принятия решений по выбору заявок на создание инфокоммуника-ционных сервисов формулируется следующим образом։

В подразделение информационных технологий (ИТ-подразделение) организации поступают заявки K = { K 1 , K 2 ,...,K i } на создание инфо-коммуникационных сервисов с интенсивностью X K . Каждая заявка представляет собой задачу по созданию или модернизации информационнотелекоммуникационного сервиса (ИТ-сервиса) в интересах информатизации и описывается кортежем вида K i = itt,, т _раб ^, где it , - создаваемый или модернизируемый ИТ-сервис, т _ра б -временной интервал, в течение которого должен функционировать ИТ-сервис.

Каждый создаваемый или модернизируемый ИТ-сервис it_i требует для своего создания определенного количества ресурсов различных видов и описывается кортежем it , = ^ uid , Type, R i , т _раб ^, где R i ( t ) = ( r, 1 , r i 2 ,..., r m ) - вектор ИТ-ресурсов, r_im – количество ресурсов m -го вида, используемого в i -м ИТ-сервисе, Type – тип ИТ-сервиса, т _ра б — временной интервал, в течение которого должен функционировать ИТ-сервис.

Ресурсы поступают из внешних источников Q = { Q 1 , Q 2 ,•••, Q n }• Каждый из источников характеризуется интенсивностью поступления ресурсов X Q каждого конкретного типа ресурсов, причем интенсивность может изменяться в раз-ʜые промежутки времени [10].

Выбор заявки на ИТ-сервис реализуется в соответствии с внутренними правилами и критериями организации. При этом учитываются важность, категория сервиса, источник заявки, время развёртывания, ресурсоемкость.

Требуется провести сравнительный анализ, обосновать выбор способа выбора заявок на создание ИТ-сервисов в соответствии с тем, что имеющиеся ресурсы ограничены и поток поступающих ресурсов нестационарен.

Анализ известных решений

Заявок на создание инфокоммуникационных сервисов в организации может быть множество, в связи с этим возникает вопрос, какую именно из заявок выполнить в случае недостаточного количества ресурсов. В связи с этим для создания адаптивной инфокоммуникационной среды требуется высокая интенсивность принятия решения. Для решения проблемы наиболее эффективного обслуживания заявок применяется множество дисциплин обслуживания, применение той или иной дисциплины обслуживания зависит от особенностей исследуемого объекта. Рассмотрим примеры известных систем.

Бесприоритетная система [3] – здесь рассматривается задача оценки целесообразности передачи через сеть резервных копий запросов (пакетов) при учете дисциплины обслуживания в узлах системы решается с использованием метода имитационного моделирования в предположении, что резервирование передач приводит к снижению средней задержки в сети и увеличению вероятности своевременной безошибочной доставки пакетов адресатам. Показаны границы применимости резервированных передач при бесприоритетном и приоритетном обслуживании. Установлено, что при определенной нагрузке в системе бесприори-тетное обслуживание резервированных пакетов предпочтительнее, чем приоритетное обслуживание нерезервированных.

Приоритетная система [4] – обсуждается эффективность назначения приоритетов для обработки пакетов в маршрутизаторе. В качестве оценки эффективности используются среднее время задержки пакетов и коэффициент вариации этой же случайной величины. Показано, что введение приоритетной дисциплины обработки пакетов позволяет обеспечить высокие показатели качества обслуживания мультисервисного трафика.

В оптимизирующей системе [5] анализируется эффективность резервированного выполнения запросов с учетом ненадежности вычислений в компьютерных системах, представляемых многоканальными системами массового обслуживания с общей очередью. Целью работы является исследование возможности повышения эффективности обслуживания при резервированном выполнении копий запросов в разных приборах многоканальной системы в условиях ненадежности вычислений. В [6] проведен анализ эффективности резервированного обслуживания запросов, критичных ко времени их суммарного поэтапного ожидания, в очередях узлов многоуровневого кластера. Выполнен поиск проектных решений по организации многоэтапного резервированного обслуживания копий запросов в многоуровневом кластере, позволяющей повысить вероятность своевременного обслуживания запросов, критичных к суммарному времени ожидания на всех уровнях (этапов обслуживания) системы. Построены модели многоэтапного резервированного обслуживания копий запросов в многоуровневом кластере. Эффективность резервирования

Рисунок 1. Модель создания инфокоммуникационных сервисов организации

оценивается по вероятности непревышения суммарного поэтапного времени ожидания в очередях узлов всех уровней заданного предельно допустимого времени.

Проведенный анализ показывает, что, несмотря на достаточно большую глубину проработки, учет ограничений, описанных в постановке задачи, выполняется в указанных работах не в полной мере. Это обосновывает актуальность оценки эффективности.

Модель создания инфокоммуникационных сервисов в ИТ-подразделении

В ИТ-подразделение распределенной организации поступают заявки на создание и модернизацию ИТ-сервисов K Qu ( t ) с интенсивностью X K . ИТ-подразделение в соответствии с целевой функцией организует развитие ИТ-инфраструктуры организации (см. рисунок 1) методом реконфигурации. На основе поступившей заявки при наличии ресурсов создается ИТ-сервис. Для ИТ-сервиса используются ресурсы из пула доступных ресурсов, под которыми подразумеваются программные и аппаратные средства. Обозначим через R ( t ) = { r 1 , r ₂ ,..., r m } множество видов ресурсов. Поток ресурсов, поступающих в организацию, является нестационарным.

Все ресурсы организации образуют пул ресурсов, которые могут։

– пополняться из нескольких источников։ через закупки ( M видов закупок), поставки от вышестоящей организации в соответствии с заявкой, просто поставки от вышестоящей организации, разработки собственных ресурсов, возврат из ремонтa;

– выбывать за счет отправки в ремонт и вывода из эксплуатации.

Все заявки K Qu ( t ) попадают в очередь K Qu . B ИТ-подразделении в каждом цикле управления принимают решение по каждой заявке։

• -    «обработать» - задачи K N ( t ) выполняются, и под них в ИТ-отделе создаются и модернизируются ИТ-сервисы N ( t ) (рисунок 1);

• –    «отбросить» – задачи на создание и модернизацию ИТ-сервисов, которым было отказано в выполнении, обозначим через K ^ ( t ) , отбрасываются с интенсивностью X_r ;

K —

• –    «оставить в очереди» – K .

Изменение заявок в очереди описывается следующим соотношением։

K Qu ( t ) = к ^н ( t ) + K N ( t ) . (1)

Функционирующие в организации ИТ-сервисы могут утилизироваться как планово, так и внепланово с интенсивностями X N — н и X N - пан соответственно.

Необходимые ресурсы для ИТ-сервисов поступают из пула ресурсов R ( t ) с интенсивностью X _N. Также ресурсы могут высвобождаться из ИΤ-сервисов как планово, так и внепланово с интенсивностями X "ёён и X ”™н соответственно.

RN — RN —

B пyл ресурсов попадают ресурсы из источников ресурсов Q = {Q 1 ,Q 2 ,...,Q n } с интенсивностью X RQ > . Потоки ресурсов, поступающих от источников, являются нестационарными.

Из пула ресурсов ресурсы, выслужившие срок службы, списываются и утилизируются с интенсивностью X„ .

R _—

Поступающие задачи решаются с помощью создания и модернизации ИТ-сервисов IT = = { zt 1 , it 2 ,..., it n }. Обозначим ИТ-сервис в момент времени t через it i = ^ uid , Type , R i , т _раб ^

• –    uid – уникальный идентификатор создаваемого ИΤ-сервиса;

• -    Type = { MC, BC, U, OP } - множество типов ИТ-сервиса, где, соглaсно [7], MC – критически важный для организации в целом (mission-critical). ИТ-сервис чрезвычайно важен для функционирования всей организации; BC – критически важный для организации (^usiness-critical). ИТ-сервис важен для поддержки отдельного направления организации или обеспечивающего процесса организации; U – вспомогательный (utility). Некритичный сервис, решающий частную, вспомогательную задачy; OP – офисной автоматизации (оffiсе рroductivity). Это инфокоммуникаци-онный сервис, используемый для автоматизации повседневной деятельности;

• -    R ( t ) = ( r i , r 2 ,..., r_m ) - вектор ресурсов, используемых при реализации i -го ИТ-сервиса в момент времени t , r _im – количество ресурсa m -го видa, используемое при реaлизaции i -го ИТ-сервисa в момент времени t ;

n

• —    R u™ = ^ R rT ( t ) - ресурсы, используемые i = 1

для создaния инфокоммуникaционных сервисов в оргaнизaции.

Типовые алгоритмы выбора заявок

В рaмкaх исследовaния рaссмaтривaются следующие критерии выборa зaявок из очереди ин-фокоммуникaционных сервисов.

• 1.    Бесприоритетные, когдa предлaгaется оценить эффект следующих дисциплин обслуживa-ния։

  – дисциплины обслуживaния FIFO (First In – First Out, то есть первым пришел – первым вы-шел։ зaявки выбирaются из очереди по порядку) [12], дaлее обознaчим через ;

  – дисциплины обслуживaния LIFO (Last In – First Out, т. е. последним пришел – первым вышел) [13], дaлее обознaчим через .

• 2.    Приоритетные дисциплины обслуживaния [14], где зaявки делятся нa несколько клaссов по своей вaжности.

• 3.    Дисциплины выборa зaявок нa основе стоимостных функций, где для кaждой поступa-ющей зaявки рaссчитывaется ее стоимость, дaлее обознaчим через . Авторaми рaзрaботaн критерий принятия решений нa основе стоимостной функции с учетом количествa ресурсов, дa-лее обознaчим через . B aлгоритм дополнительно введен блок учетa нестaционaр-ности потокa ресурсов.

В приоритетной дисциплине обслуживaния PFIFO снaчaлa обслуживaются зaявки с более высоким приоритетом (зaявки из очереди вы-бирaются по приоритету и по принципу FIFO, т. е. первым пришел – первым вышел։ зaявки вы-бирaются из очереди по порядку), дaлее обознa-чим через .

В приоритетной дисциплине обслуживaния PLIFO снaчaлa обслуживaются зaявки с более высоким приоритетом (зaявки из очереди выби-рaются по приоритету и по принципу LIFO), дa-лее обознaчим через .

Функции эффективности обслуживания заявок

Критерии и прaвилa выборa зaявок в соответствии с их хaрaктеристикaми и в первую очередь ценностью для технологических процессов оргaнизaции могут быть описaны в форме стоимостной функции [11]. В рaботе получен вaриaнт тaкой функции для ИТ-подрaзделения по выбору зaявок с приоритетом нa создaние информaцион-ных сервисов в оргaнизaции. Ha основе методa aнaлизa иерaрхий из теории многокритериaльной полезности были рaзрaботaны критерии для зa-явок кaждого приоритетa [12; 16]. Дaнные критерии были предложены экспертaм для их оценки и обобщены. По полученным оценкaм былa пред-ложенa стоимостнaя функция для зaявки кaждого приоритетa. Имея стоимостную функцию, можно рaссчитaть стоимость кaждой зaявки в текущий момент времени.

Зaявки из очереди рaссмaтривaются нa кaждом промежутке времени [15]. Кaждый этaп принятия решений (создaние ИТ-сервисa, откaз в создaнии ИТ-сервисa, постaновкa в очередь ИТ-сервисa) рaссмaтривaется отдельно. Для кaждой зaявки выбирaется одно из трех действий։ обрaботкa (создaние ИТ-сервисa), откaз (откaз в создaнии ИТ-сервисa), очередь (постaновкa в очередь для последующего решения). Стоимостнaя функция рaссмaтривaется по всем трем действиям к кaж-дой зaявке (четырех уровней вaжности) и по рaз-меру очереди։

n c=z cg,.(t.), (2) i=1

где с Д. ( t . ) - эффект выполнения заявки на i -й ИТ-сервис вaжности д при применении действия д = { обработка, отказ, очередь } .

Алгоритм выбора заявок на основе оптимизации функции эффективности

Использовaние критериaльной функции С в кaчестве обобщенного покaзaтеля кaчествa позволяет построить критерий принятия решения и aлгоритм выборa зaявок, позволяющий мaксими- зировать ее значение [8]. Исходя из режима непрерывной работы ИТ-подразделения по созданию ИТ-сервисов в условиях неопределенности предлагаемый алгоритм должен решать задачу максимизации средней величины эффекта С = = F (t) ^ max.

На рисунке 2 приведен разработанный алгоритм выбора заявок на основе оптимизации стоимостной функции. Исходные данные։

– заявки на создание или модернизацию ИТ-сервисов it_t = Д /d , Type , R i , т _раб Y

– стоимостная функция, определяющая эффект для каждого ИТ-сервиса c Bi ( t i ) ;

– имеющиеся ресурсы R .

Выходными данными являются։

– величина полученного эффекта С ;

– множества созданных IT ^{ñоçданuе} , находящихся в очереди IT ^{очеðедь} , получивших отказ IT ^откаç инфокоммуникационных сервисов.

Сравнительный анализ критериев принятия решений по выбору заявок на инфокоммуникационные сервисы

В рамках работы выполнен эксперимент по оценке влияния нестационарности входного потока заявок на эффективность применения алгоритмов выбора заявок. Анализ эффективности обслуживания заявок выполнен путем варьирования интенсивности входного потока заявок (одного класса). Входной поток имеет следующие характеристики (см. рисунок 3, а )։

^Л = ^ i = 1 ^X i = ^X (не) + ^X (мер

X₍ не/ t ) = const,                (3)

X mM ⁿ_c>, t е [ 0;90 ) , t e [ 180;270 ) ;

X maCp t e [ 90;180 ) , t e [ 270;360 ) .

X₍ мс/ 1 ) = 1

С учетом заданных характеристик потоков X (bc) , X mMC) и X 'Mx доля заявок класса <МС> изменяется с 50 до 62,5 % и в среднем составляет – 56,3 %.

На рисунке 3, а показано изменение интенсивности потоков заявок по классам. Для алгоритма выбора заявок отражены мгновенные X K + и средние X K + значения количества реализованных ИТ-сервисов. Результаты выявляют, что количество созданных ИТ-сервисов при изменении входной интенсивности заявок изменяется незначительно.

Рисунок 3, б показывает мгновенные С _{ALG , i} и усредненные С _{ALG , i} значения функции отклика (рассчитанные на основе стоимостной функции) по одной реализации процесса. Результаты гово-

Поступили

Добавление заявки в очередь к^<6и>

Добавление ресурсов в пул R

Расчёт эффекта для „д каждого возможного Св1 состояния ИТ-сервиса

цикл по заявкам на ИТ-сервисы в очереди

аявка не выполнена и не

Расчет оценки стоимости от выполнения заявки

Сортировка по возрастанию и помещение в стек заявки

Сортировка заявок по L величине эффекте С

,

'отсортированным на^-создание ИТ-сервисов/ For i=0 to М нет

—вата ресурсов для ИТ-д^ '^~-Дсервиса?/--/''^

Выполнение заявки (создание ИТ-сервиса).

нег/ТТревы шёнТг^^

■<Двремя нахождения в ^^~-^очереди?//'

Изменение статуса на отброшена ^

Рисунок 2. Алгоритм выбора заявок

Рисунок 3. Aʜaлиз влияния нестaционaрности входного потокa зaявок ʜa эффективность создaʜия инфокоммуникaционных сервисов

рят о высоком уровне неравномерности функции отклика (в том числе усредненной).

Рисунок 3, в показывает средние значения функций отклика для исследуемых алгоритмов выбора заявок: С LIFO, С PRIORL, С PRIORF, С COST , СALG . Для алгоритмa построeнa сглaжeʜʜaя функция С ALG путем регрессионного aʜaлизa. Haличие огрaʜичений по времeни нахождения заявки в очереди т = 30 приводит к возникновению ʙ ʜaчaлe экспериментa переходного режимa, a тaкже трех переходных учaстков нa грaʜицax изменения интенсивности (отмече- ны штриховкой). Результаты эксперимента показывают следующую результативность – наибольшую результативность показал алгоритм . Сравнительная оценка приведена в таблице.

Результат свидетельствует, что изменение нагрузки (отношение интенсивности потока заявок к производительности ИТ-подразделения) приводит к изменению эффективности различных алгоритмов выбора заявок. Это показывает наличие возможности разработки субоптимального алгоритма выбора заявок в условиях неопределенности за счет возможности адаптации к структуре потока.

Рисунок 3, г показывает изменение относительной результативности η двух наиболее эффективных по значению отклика алгоритмов выбора заявок – . Представлены графики мгновенной η / PRIORL \ и усредненной η , PRIORL J относительной результативности по отношению к алгоритму , где η ( PRIORL = ^{= С} PRIORL) / ^С (ALG )^.

Рисунок 3, д отражает относительный эффект от функционирования ИТ-сервиса на 1 реализованный ИТ-сервис (введенный в эксплуатацию). Представлены графики мгновенного ñ , ALG , и усредненного ñ j ALG , значений относительного эф-фекта։ ñ ALG ( t )= C ALG ( t ) n ALG ( t ). Результаты показывают значимое изменение относительного эффекта при изменении интенсивности входного потока, что требует применения механизма адаптации при разработке субоптимального алгоритма.

Проведене эксперимент по оценке влияния нестационарности входного потока заявок на эффективность критериев выбора заявок при изменении нагрузки (отношение ресурсоемкости входного потока заявок к интенсивности поступления ресурсов в ИТ-подразделение). Анализ эффективности обслуживания заявок выполнен путем варьирования интенсивности входного потока заявок и уровня нагрузки [9].

На рисунке 4, а отражено изменение абсолютных и относительных значений функций отклика для исследуемых алгоритмов выбора заявок: ^С LIFO) (ρ), С ; PRIORL) (ρ), С ; PRIORF ) (ρ), С COST) (ρ), С ALG _; при изменении отношения уровней требуемых и имеющихся ресурсов: ρ = R _тр I ^R нал ^. Результаты показывают, что с увеличением отношения ρ = R _тр / R _нал происходит значимое повышение относительной эффективности алгоритма выбора заявок .

На рисунке 4, б представлено изменение абсолютных и относительных значений среднего количества реализованных ИТ-сервисов для исследуемых алгоритмов выбора заявок: η , LIFO (ρ), η , PRIORL \ (ρ),

Таблица. Сравнительный анализ критериев принятия решений по выбору заявок

Уч-к	LIFO	С PRIORL	С, PRIORF I	С 1 COST
1	0,868	0,691	0,947	0,956
2	0,631	0,440	0,778	0,754
3	0,881	0,649	0,938	0,924
4	0,655	0,464	0,831	0,814
Сред.	0,782	0,603	0,889	0,878

η PRIORF (ρ), η COST (ρ), η ALG (ρ) при изменении отношения уровней требуемых и имеющихся ресурсов: ρ= R _тр I R _нал . Результаты показывают, что с увеличением отношения ρ = R _тр IR _нал происходит значимое увеличение количества реализованных ИТ-сервисов для алгоритма .

На рисунке 4, в представлено изменение абсолютных и относительных значений функций отклика для исследуемых алгоритмов выбора заявок: С LIFO ; (ρ), С _PRIORL (ρ), С _PRIORF (ρ), С , COST (ρ), С ALG x при изменении отношения уровней требуемых и имеющихся ресурсов: ρ = R _тр / R _нал на участке изменения интенсивности входного потока заявок. Диапазон изменения эффекта показывает необходимость учета условий применения при решении задачи выбора.

На рисунке 4, г отражено изменение эффекта для алгоритма выбора заявок для средних значений эффекта и на участках изменения интенсивности для случаев изменения долей заявок классов С ^m_A^a_L^x_G,MC и С ^m_A^a_L^x_G,BC. Рисунок 4, д показывает изменение эффекта для алгоритма выбора заявок при варьировании долей заявок класса µ в среднем С ALG i и на участках изменения интенсивности С ALG x • Отмечено, что с увеличением доли заявок класса эффект в целом ощутимо повышается.

Выводы по итогам эксперимента

Оценка критериев принятия решений при выборе заявок на проектирование инфокоммуника-ционных сервисов в условиях нестационарного потока была сведена к расчету эффекта по всем внедряемым инфокоммуникационным сервисам организации. Анализ эффективности критериев выбора заявок проводился следующими способами:

– путем варьирования интенсивности входного потока заявок (одного класса);

– путем варьирования интенсивности входного потока заявок (одного класса) и уровня нагрузки.

В случае варьирования интенсивностью входного потока заявок (одного класса) большую эффективность показал алгоритм . Изменение нагрузки приводит к изменению эффективности различных алгоритмов выбора заявок.

Рисунок 4. Анализ влияния нестационарности входного потока заявок на эффективность создания ИТ-сервисов при изменении нагрузки

Это доказывает наличие возможности разработки субоптимального алгоритма выбора заявок в условиях неопределенности за счет возможности адаптации к структуре входного потока поступления заявок.

В случае варьирования интенсивности входного потока заявок (одного класса) и отношения уровня нагрузки результаты показывают, что с увеличением отношения происходит значимое повышение относительной эффективности алгоритма выбора заявок . Также отмечено, что с увеличением доли заявок класса <МС˃ эффект в целом повышается.

В связи с вышесказанным можно сделать вывод, что алгоритм является более эффективным относительно сравниваемых алгоритмов.