Математические модели и алгоритмы оптимизации восстановительного резервирования информации в корпоративной вычислительной сети "Государственной компании "Росвооружение" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Святенко, Кирилл Витальевич
- Специальность ВАК РФ05.13.06
- Количество страниц 99
Оглавление диссертации кандидат технических наук Святенко, Кирилл Витальевич
Введение.
1. Анализ современного состояния, перспектив развития вычислительных сетей. Постановка задачи исследования.
1.1 Структура и краткий обзор основных направлений совершенствования ВС «ГК «Росвооружение».
1.2 Характеристика и особенности разрушающих факторов, влияющих на носители информации и сравнительная характеристика устройств хранения информации.
1.3 Обеспечение сохранности информации в вычислительных сетях.
1.4 Анализ видов и стратегий резервирования.
1.5 Определение областей эффективного использования восстановительного резервирования.
1.6 Обоснование общего подхода к решению задач оптимизации восстановительного резервирования.
Выводы по первой главе.
2. Математические модели и алгоритмы оптимизации восстановительного резервирования информации в ВС.
2.1 Общая математическая модель оптимизации восстановительного резервирования.
2.2 Декомпозиция общей задачи на систему взаимосвязанных задач.
2.3 Методы решения задач восстановительного резервирования информации.
Выводы по второй главе.
3. Экспериментальная проверка моделей и методов оптимизации восстановительного резервирования информации.
3.1 Экспериментальная оценка эффективности методов и алгоритмов оптимизации.
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», 05.13.06 шифр ВАК
Оптимизация восстановительного резервирования в автоматизированной информационно-управляющей системе2010 год, кандидат технических наук Татаев, Сергей Николаевич
Обеспечение информационной защищенности автоматизированных систем управления воздушным движением в условиях роста интенсивности полетов2009 год, доктор технических наук Акиншин, Руслан Николаевич
Математические модели и алгоритмы дискретной оптимизации распределенных баз данных1999 год, кандидат технических наук Румянцева, Инна Ивановна
Разработка моделей и методов структурного резервирования программного и информационного обеспечения автоматизированных информационных систем2001 год, кандидат технических наук Афанасьева, Валентина Ивановна
Резервирование программных модулей и информационных массивов в сетях ЭВМ1983 год, кандидат технических наук Сомов, Сергей Константинович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математические модели и алгоритмы оптимизации восстановительного резервирования информации в корпоративной вычислительной сети "Государственной компании "Росвооружение"»
Главным направлением повышение эффективности формирования и осуществления процесса военно-технического сотрудничества является создания Единой автоматизированной информационной системы на основе внедрения компьютерных технологий и использования современных средств вычислительной техники, средств передачи данных и математических методов.
Постоянное совершенствование средств и методов управления различного рода структурными подразделениями «ГК «Росвооружение» стало одним из основных факторов, определяющих повышение эффективности действий России на мировом рынке вооружений и военной техники (В и ВТ). Необходимость дальнейшего интенсивного развития систем управления диктуется возрастающей диспропорцией между постоянно растущим потоком информации, представляющей собой конъюнктуру рынка, прогноз потребностей по каждому конкретному образцу В и ВТ, возможностями предприятий производителей специмущества (СИ), изменения российского законодательства, международные и внутренние политические аспекты, и возможностями средств по обработки для принятия решений. На этой основе возникают и новые повышенные требования к вычислительным системам (ВС) управления.
Наличие широкой сети региональных представительств в более чем 20 странах также требует наличие современной ВС.
Другим, не менее важным фактором, является развитие динамики процесса международного военно-технического сотрудничества (ВТС) и повышения ответственности сторон, где оперативно принимаемые решения несут за собой обязательства на длительный срок (до нескольких десятков лет) и любые ошибки могут привести к серьезным финансовым и политическим потерям. Данный факт на очень напряженном рынке В и ВТ, где присутствует жесткая конкуренция мировых производителей СИ, представляется наиболее серьезным.
Анализ современного состояния средств управления показывает, что они по уровню разработки и производству не полностью соответствуют предъявляемым требованиям, что снижает эффективность работы системы. Увеличение сложности решаемых задач, расширение их перечня, повышение требований к оперативности и достоверности обработки информации обуславливает необходимость создания высокоэффективных средств обработки информации.
Разрешить указанную проблему призвана концепция распределенной системы управления, которая заключается в увеличении количества пунктов управления и обеспечении их тесной взаимосвязи и взаимозаменяемости, и возможности использования общих информационных массивов.
Практическая реализация концепции распределенной системы управления требует реализации целого комплекса научно-технических проблем, связанных с созданием общих информационных массивов, установлением порядка их обновления, пересылки, защиты и оперативного использования, определением номенклатуры технических средств в каждом локальном пункте и др. Целый ряд проектов за рубежом предлагает различные способы решения указанных проблем.
Опыт разработки и опытная эксплуатация показали, что объем и сложность информационно-расчетной деятельности должностных лиц достигли такого масштаба, что возникла необходимость в организации взаимосвязанного функционирования больших коллективов пользователей ЭВМ, территориально размещенных на значительных расстояниях и нуждающихся в оперативном доступе к настолько значительным объемам данных и большим вычислительным мощностям, что удовлетворение этих потребностей не всегда может быть обеспечено средствами отдельных ЭВМ или их локальным объединением вычислительных комплексов. В этих условиях в области создания вычислительных сетей наметилась устойчивая тенденция к использованию сети ЭВМ как перспективной организационно-технической формы применения вычислительных средств.
Создание сетей ЭВМ связано со значительными затратами, а эффективное использование предоставляемых ими возможностей требует количественного обоснования принимаемых решений по выбору рациональных вариантов построения и организации их функционирования.
Существует большое число работ посвященных сетям ЭВМ. В работах В.М.Глушкова [4], Д. Флинта [5], Э.А. Якубайтиса [6,7] излагаются основные принципы построения вычислительных сетей, организация сетей передачи данных и связи, их анализ и синтез. В работе Г.Т.Артамонова и В.Д. Тюрина [8] излагается оригинальная система топологических инвариантов, позволяющая эффективно решать задачи определения изоморфизма и автоморфизма сетей. Исследуется влияние топологических характеристик сетей на их надежность, пропускную способность, стоимость и ряд других системных характеристик. В работе Г.Ф. Янбых и Б.А. Столярова [9] рассматривается проблема оптимизации физической структуры информационно-вычислительных сетей. Методы и алгоритмы синтеза и оптимизации структуры, централизованных и распределенных сетей ЭВМ с единых методологических позиций рассмотрены Ю.П. Зайченко и Ю.В. Гонта [10].
В работах В.А. Балыбердина [11,12,13] предложены единый метод исследования системы вычислительных средств (СВС) сетей ЭВМ, основанный на выделении и рассмотрении совокупностей взаимодействующих информационных процессов, протекающих в СВС, комплекс аналитических моделей совокупностей информационных процессов для решения задач анализа сетей ЭВМ и методы многоуровневой оптимизации для решения задач синтеза.
Приведенный перечень работ свидетельствует о большом интересе к развитию сетей ЭВМ и определенном опыте, накопленном в нашей стране и за рубежом, в области решения задач синтеза и оптимизации структуры, анализа сетей ЭВМ, особенно сетей передачи данных.
Однако основной акцент при создании ВС на базе сетей ЭВМ делается на решение следующих проблем:
- организации информационно-вычислительного процесса (ИБП) в системе вычислительных средств сети ЭВМ;
- организации управления распределенными ресурсами в рамках системы; обеспечении сохранности информации в системах с распределенной обработкой информации;
- организации функционирования распределенных баз данных.
В США и ведущих зарубежных странах решению перечисленных проблем придан статус наивысшего приоритета, так как от их решения в первую очередь зависит эффективность сети в целом.
Если рассмотреть накопленный опыт при решении задач оптимизации и повышения устойчивости информационно-вычислительного процесса (ИВП), сохранности информации в сетях ЭВМ, то необходимо отметить работы В.В. Хорошевского [14], Е.Н.Турута [15,16]. O.K. Кондратьева [17], отражающие прогресс, достигнутый при решении задач повышения устойчивости ИВП. Работы А.Г. Мамиконова, В.В. Кульбы, С.К. Сомова, А.Б. Шелкова [20,21,22] посвящены решению вопросов повышения достоверности и сохранности информационных модулей и программных массивов в вычислительных сетях за счет организации оперативного и восстановительного резервирования.
Практическое решение вопросов синтеза сетей ЭВМ и организации их функционирования связано с развитием теории и практики оптимизации, которым посвящены работы О.Г. Алексеева [23], B.C. Михалевича [24,25], И.В. Сергиенко [26], A.A. Корбута, Ю.Ю. Финкелынтейн [27].
Приведенный обзор работ, показывает, что задачи повышения устойчивости ИВП, обеспечения сохранности информации, повышения эффективности и разработка новых методов оптимизации решались в основном порознь и изучены с различной степенью глубины.
Работы, проведенные в этом направлении к настоящему времени, обладают рядом существенных недостатков:
1. Не разработан системный подход к повышению устойчивости ИБП и сохранности информации на этапах проектирования и эксплуатации ВС.
2. Недостаточно формализованы способы и методы обеспечения устойчивости ИВП и сохранности информации (модели распределения и перераспределения программных модулей и информационных массивов по узлам сети ЭВМ).
3. Существующие постановки указанных задач предполагают их решение в процессе синтеза сети ЭВМ. Исходя из этого, к разрабатываемым методам и алгоритмам их решения не предъявляется достаточно жестких требований по времени решения. Вместе с тем, такие задачи возникают в процессе эксплуатации средств автоматизации управления, а их реализация связана с решением дискретных, зачастую нелинейных задач большой размерности в короткие сроки. Это, в свою очередь, порождает проблему дискретности, многомерности и большой размерности задач оптимизации ИВП и разработки эффективных методов их решения.
Таким образом, научной задачей, решаемой в диссертационной работе, является разработка моделей и методов обеспечения сохранности информационных массивов в вычислительных сетях.
Актуальность задачи обусловлена: необходимостью повышения эффективности функционирования вычислительной сети «ГК «Росвооружение» за счет придания ей свойств устойчивости ИВП, необходимостью разработки и совершенствования теоретического аппарата обеспечения сохранности информации, исследования задач многомерности и дискретности задач оптимизации.
Объектом исследования являются автоматическая система обработки информации подразделений «ГК «Росвооружение»
Предметом исследования являются методы обеспечения сохранности информационных массивов в вычислительных сетях «ГК «Росвооружение».
В связи с этим целью работы является расширение функциональных возможностей и улучшение характеристик перспективных ВС за счет обеспечения сохранности информации.
Поставленная цель достигается решением ряда следующих крупных научных задач:
1. разработка общего подхода к решению задач обеспечения сохранности информации в системе вычислительных средств сети;
2. разработка системы математических моделей оптимизации ИБП в ВС с учетом резервирования программных модулей и информационных массивов;
3. повышение эффективности существующих и разработка новых методов решения задач оптимизации;
4. оценка эффективности, обоснование рекомендаций по использованию разработанного теоретического аппарата.
Содержание этих решений изложено в трех главах настоящей работы.
В первой главе рассматриваются требования, предъявляемые к ВС на современном этапе, основные направления совершенствования ВС и связанные с этим задачи. Показано, эффективность ВС, построенных на базе сетей ЭВМ, во многом определяется обеспечением сохранности информации в системе вычислительных средств. Исследуются основные направления обеспечения сохранности информации и методы их реализации. Показано, что при заданных характеристиках технических средств автоматизации сохранность информации обеспечивается рациональным распределением программных модулей (ПМ) и информационных массивов (ИМ) в системе вычислительных средств (СВС) сети ЭВМ с учетом их резервирования. Формулируется задача исследования и обосновывается общий подход ее решения.
Вторая глава посвящена разработке системы математических моделей оптимизации распределения (перераспределения) ПМ и ИМ с учетом их резервирования в СВС сети ЭВМ. Обоснован метод их декомпозиции на ряд взаимосвязанных задач в целях практической разрешимости. Предлагаются методы и алгоритмы решения, основанные на идеях метода ветвей и границ с применением теории двойственности для определения порядка ветвления переменных и вычисления оптимистических оценок и способа встречного решения функциональных уравнений динамического программирования.
В третьей главе обосновываются критерии оценки эффективности разработанных методов и алгоритмов оптимизации. Проводится сравнительная оценка эффективности разработанных и существующих алгоритмов оптимизации. Предлагаются рекомендации по использования разработанного теоретического аппарата на этапах проектирования и эксплуатации ВС.
В заключении формулируются результаты работы в целом.
Основными научными результатами, выносимыми на защиту являются:
1. Система математических моделей оптимизации информационно-вычислительного процесса в сетях ЭВМ, позволяющая комплексно и взаимосвязано решать задачи распределения программных модулей, информационных массивов и их восстановительного резерва в системе вычислительных средств, а также определять необходимый объем резерва.
2. Метод решения общих задач оптимизации распределения (перераспределения) программных модулей и информационных массивов с учетом их резервирования в системе вычислительных средств на основе предложенной их декомпозиции на ряд взаимосвязанных задач и разработанные математические модели оптимизации для каждого этапа декомпозиции.
3. Метод и математическая модель оценки порядка ветвления переменных, способы определения границ решения в методе ветвей и границ, использующие принцип двойственности, позволяющие значительно сократить вычислительную сложность алгоритмов ветвей и границ.
4. Модифицированный метод встречного решения функциональных уравнений динамического программирования, использующий теорию двойственности для упорядочения ограничений и отсева бесперспективных переменных при решении задачи по первому ограничению по условиям метода ветвей и границ, обеспечивающий значительное уменьшение времени решения задач и число членов условно оптимальных последовательностей.
Практическое значение и реализация работы. Предложенные методики, методы, модели и алгоритмы использованы при проведении ряда работ по созданию образцов комплексов средств автоматизации, а также в силу своей общности могут найти применение при разработке, эксплуатации перспективных комплексов средств автоматизации различных уровней управления, методы и алгоритмы доведены до рабочих программ и позволяют решать широкий круг научно-технических задач. Основные практические результаты диссертационной работы внедрены: в 3 ЦНИИ МО России; в Таганрогском авиационном научно-техническом комплексе им. Бериева; в учебном процессе Тульского ВАИУ в дисциплине "Исследование операций"
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и одобрены на НТК Тульского ВАИУ (1997, 1999 г.г.), Михайловской артиллерийской академии г. С-Петербург (1998 г.), на расширенных заседаниях кафедр "ЭВМ и ВС", "Математическое, программное и информационное обеспечение ВС" Тульского артиллерийского инженерного института. Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах в ведомственных научно-технических изданиях:
Киселев В.Д., Есиков О.В., Святенко К.В. Декомпозиция задачи восстановительного резервирования программных модулей и информационных массивов в сети ЭВМ,- НТК №9 (сборник тезисов докладов). Тула: ТВАИУ, 1993 г.
Есиков О.В., Святенко К.В. Обеспечение сохранности информации в локальных сетях ЭВМ.- НТК №9 (сборник тезисов докладов). Тула: ТВАИУ, 1993 г.
Есиков О.В. , Святенко К.В., Матвеев Д.В. Имитационная модель оценки эффективности перспективных АСУ- НТК №10 (сборник тезисов докладов). Тула: ТВАИУ, 1995 г.
Киселев В.Д. , Есиков О.В.,Святенко К.В., Логвинов С.С. Анализ влияния восстановительного резервирования на эффективность функционирования АСУ, построенных на базе сетей ЭВМ- НТС N 14. Тула : ТВАИУ, 1997. С.-144-148.
Киселев В.Д., Крутских В.А., Святенко К.В. Определение типа носителей восстановительного резерва информации в территориально-распределенных ВС. НТС N 5. Санкт-Петербург: МО РФ. 1998. С.-27-31.
Киселев В.Д., Святенко К.В. Обеспечение сохранности информации в ВС специального назначения, построенных на базе сетей ЭВМ. НТС N 5. Санкт-Петербург: МО РФ. 1998. С.-38-41.
Киселев В.Д., Новиков В.В., Святенко К.В. Распределение задач в системе обработки информации методом альтернативного программирования,- НТС N 15. Тула : ТВАИУ, 1998. С,-134-138.
Святенко К.В., Новиков В.В. Оценка способов ветвления переменных в методе ветвей и границ. - НТС N 15. Тула: ТВАИУ, 1998. С,-175-179.
Святенко К.В., Федосов Е.И., Лагутин H.H. Оптмизация информационно-вычислительного процесса на объектах ВС - НТС N 15. Тула : ТВАИУ, 1998. С,-179-182.
Есиков О.В., Святенко К.В. Принципы построения систем защиты информации в современных АСОД - НТС N 16. Тула : ТАИИ, 1999. С.-82-85.
Похожие диссертационные работы по специальности «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», 05.13.06 шифр ВАК
Повышение эффективности информационно-измерительных систем гибких автоматизированных производств за счет оптимизации вычислительных процессов2011 год, кандидат технических наук Табуров, Денис Юрьевич
Методы обеспечения доступности информационных ресурсов в территориально-распределенных автоматизированных системах обработки данных2008 год, кандидат технических наук Павельев, Сергей Владимирович
Математические модели, методы и алгоритмы анализа современных телекоммуникационных систем с целью обеспечения защищенности информации2003 год, кандидат технических наук Акиншин, Руслан Николаевич
Локальные элиминационные алгоритмы для разреженных задач дискретной оптимизации2010 год, доктор физико-математических наук Щербина, Олег Александрович
Разработка моделей, методов и инструментальных средств анализа и синтеза оптимальных структур баз данных в автоматизированных информационно-управляющих системах1999 год, доктор технических наук Сиротюк, Владимир Олегович
Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Святенко, Кирилл Витальевич
Выводы по третей главе
1. Применение для автоматизации экспериментальной проверки предложенных методов и алгоритмов решения задач оптимизации распределения и восстановительного резервирования ИМ в системе ВС сети разработанной АСИА (автоматизированная система исследования алгоритмов) позволяет управлять процессом исследования, проводить сравнительную оценку алгоритмов по выбранной программе и значительно снизить затраты на организацию и проведение экспериментов.
2. Результаты экспериментальной оценки способов определения границ решения с использованием теории двойственности показали, что наиболее эффективным является однократное решение двойственной задачи итерационными методами, который позволяет уточнять оценки переменных и определить порядок их ветвления. Среднее время решения с применением данного способа в 7-42 раза относительно первого, 3-13 раза относительно второго и в 1,1-2,2 раза относительного третьего способа меньше. С ростом числа ограничений и переменных задачи это преимущество возрастает.
3. Упорядочивание ограничений по жесткости и включение дополнительного отсева бесперспективных вариантов по условиям метода ветвей и границ с использованием двойственной задачи в способе встречного решения дает выигрыш по времени в 2,3-14,8 раза за счет уменьшения числа
Предложенные принципы и критерии распределения ПМ и ИМ обеспечивают работоспособность ВС в условиях функциональной деградации и деградации по производительности системы вычислительных средств сети в заданных пределах показателей эффективности ВС.
Большая размерность общей задачи оптимизации ИБП, дискретность, нелинейный характер целевых функций и ограничений не позволяет решить их существующими методами и выдвигает проблему снижения их размерности.
Для сокращения размерности задачи оптимизации восстановительного резервирования предложена ее декомпозиция на ряд взаимосвязанных подзадач, а именно:
1. оптимизации распределения ИМ в системе ВС без учета их восстановительного резервирования при известном распределении ПМ;
2. оптимизация распределения восстановительного резерва ИМ без учета его разрушения (без определения объема восстановительного резерва) с учетом заданного распределения восстановительного резерва ПМ;
3. оптимизация объема восстановительного резерва ИМ.
4. Разработанный в соответствии с декомпозицией общей задачи на уровне вычислительной сети, комплекс математических моделей сводится к следующим классам задач:
5. оптимизация распределения ИМ по критерию минимума передаваемой информации по каналам связи - к классу задач ЦЛП со смешанными ограничениями;
6. оптимизация распределения восстановительного резерва - к классу целочисленных линейных задач;
7. оптимизация объема восстановительного резерва - к стандартной задаче оптимального резервирования.
Необходимость решения предложенных задач в реальном масштабе времени (в период эксплуатации и боевого применения) предполагает поиск путей повышения эффективности существующих и разработку новых методов и алгоритмов оптимизации.
Сформулированные задачи распределения и оптимизации восстановительного резервирования программных модулей и информационных массивов в сети ЭВМ относятся к классу задач комбинаторного типа. Трудоемкости сформулированных задач выдвигает требование дальнейшего совершенствования и модификации алгоритмов ее решения.
Для сокращения вычислительной сложности определения границ решения могут быть использованы разработанные и обоснованные способы на основе теории двойственности: решение двойственной задачи для каждой вершины дерева ветвления; решения двоственной задачи для уровня; однократное решение двойственной задачи; однократное решение двойственной задачи с уточнением границы итерационными алгоритмами. Результаты экспериментальной оценки способов определения границ решения с использованием теории двойственности показали, что наиболее эффективным является однократное решение двойственной задачи итерационными методами, который позволяет уточнять оценки переменных и определить порядок их ветвления.
Применение теории двойственности для упорядочения ограничений по жесткости в методе встречного решения и включение дополнительного отсева бесперспективных вариантов решений по целевой функции по условиям метода ветвей и границ позволяет повысить эффективность динамического программирования при определении множества допустимых решений задач оптимизации восстановительного резервирования информации.
Применение приближенных методов решения задач дискретной оптимизации позволяет решать задачи большой размерности. В качестве приближенных методов решения задачи восстановительного резервирования
19. Сергиенко И.В. Математические модели и методы решения задач дискретной оптимизации.- 2-е изд., доп. и перераб.-Киев: Наук. Думка, 1988.472 с.
20. Сергиенко И.В., Лебедева Т.Т., Рогцин В.А. Приближенные методы решения дискретных задач оптимизации.- Киев: Наук. Думка, 1980.-276 с.
21. Михалевич B.C. Последовательные алгоритмы оптимизации и их применение // Кибернетика. - 1965. -№1.- с. 45-55.
22. Первозванский A.A., Гайцгори В.Г. Декомпозиция, агрегирование и приближенная оптимизация. - М.: Наука, 1979. -276 с.
23. Мельник Э.М., Киселев В.Д. Об одном подходе к распределению задач между работоспособными микро ЭВМ при функциональной деградации вычислительной системы. // Алгоритмы и структуры систем обработки информации. - Тула: ТулПИ, 1990.- с. 99-105.
24. Киселев В.Д., Алексеев О.Г., Мировицкий Г.П. Сужение области поиска в задачах дискретного программирования на основе теории двойственности.// Электронное моделирование. - 1989.- Т 11.-№5.
25. Алексеев О.Г., Алексеев А.О., Киселев В.Д., Мировицкий Г.П. Применение двойственности для повышения эффективности метода встречного решения функциональных уравнений динамического программирования // Кибернетика. - 1990,- №1. с. 114-116.
26. Киселев В.Д., Алексеев О.Г. Упорядочение ограничений в методе встречного решения функциональных уравнений динамического программирования.// Экономика и математические методы. - 1994.
27. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах,- М.: Мир, 1981.-323с.
28. Пападимитриу X., Стайглиц К. Комбинаторная оптимизация. Алгоритмы и сложность. Пер. с англ.- М.: Мир, 1985. - 512 с.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.