Модели и алгоритмы повышения производительности распределенных систем обработки информации АСУП тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Воронин, Алексей Александрович

• Воронин, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Воронин, Алексей Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Объект исследования.

1.2. Методы повышения производительности информационно-вычислительной подсистемы АСУП.

1.3. Архитектура распределенной информационно-вычислительной системы.

1.4. Сравнительный анализ современных распределенных информационно-вычислительных систем.

1.5. Классификация кластерных структур распределенных информационно-вычислительных систем.

1.6. Уточнение задач исследования. Выбор кластерной структуры.

1.7. Выводы.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ПРОЦЕДУР ФОРМИРОВАНИЯ ВИРТУАЛЬНОГО КЛАСТЕРА В РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Обработка типового запроса в кластерной структуре.

2.3. Стратегия планирования коммутатора.

2.4. Формальное определение виртуального кластера.•.

2.5. Разработка алгоритмов изменения степени распределенности системы.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ СТРУКТУРОЙ.

3.1. Обобщенная модель кластерной вычислительной структуры распределенной информационно-вычислительной системы.

3.2. Разработка моделей функционирования виртуального кластера в распределенной информационно-вычислительной системе. 3.3. Влияние сети передачи данных на средние задержки.

3.4. Исследование системных характеристик виртуального кластера в распределенной информационно-вычислительной системе.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ф АППРОБИРОВАНИЕ СРЕДСТВ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ

СТРУКТУРОЙ.

4.1. Пакет программ организации виртуального кластера в распределенной информационно-вычислительной системе. ф 4.2. Результаты экспериментальных исследований распределенной информационно-вычислительной системы.

4.3. Модернизации системы обработки информации

АСУП ООО «MOKA».

4.4. Кластерная вычислительная структура в распределенной

10 информационной образовательной системе Г.Владимира.

4.5. Использование виртуального кластера для защиты распределенной информационно-вычислительной системы.

4.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели и алгоритмы повышения производительности распределенных систем обработки информации АСУП»

Актуальность задачи. Одной из важнейших задач в современном промышленном предприятии становится интеграция автоматизированных системам управления производством (АСУП) и автоматизированных системам управления технологическими процессами (АСУТП). Эта тенденция определяется переходом к универсальным стандартам и отказом от применяемых фирменных (разработанных «под заказ») технологий, что определяется их доступностью, открытостью и довольно высоким качеством. Построение АСУП (АСУТП) при использовании данных технологий делает доступ к производственной информации прозрачным и функциональным, обеспечивая простоту установки и администрирования.

Процесс функционирования АСУП, как сложной человеко-машинной системы, сопряжен с обработкой больших объемов данных в условиях трудоемкости применяемых методов обработки и недостаточной своевременности получаемой персоналом управленческой информации. Все это накладывает жесткие требова-ния на характеристики ее информационно-вычислительной подсистемы. При этом наблюдается тенденция все более частого использования распределенных вычис-лений при автоматизации производства и интеллектуальной поддержки процессов управления. Распределенная обработка данных, используя разделение функций АСУП, обладает такими достоинствами, как малое время отклика, высокая доступность, возможность совместного использования ресурсов, инкрементального наращивания мощности как системы в целом, так и ее компонентов. Современная наука определяет распределенную ИВС в качестве технологической основы АСУП, часто делая данные понятия синонимами.

Одной из принципиальных задач распределенных ИВС в настоящее время становится обеспечение минимального времени доступа к ресурсам и подсистема-ми множества одновременно работающих пользователей (процессов). Со-времен-ная наука определяет два пути решения выделенной задачи. Первый ориентирован на улучшение характеристик оборудования, второй связан с оптимизацией и раз-работкой новых моделей и процедур управления. Если минимизация стоимости распределенной ИБС превалирует (что характерно для средних и малых предприятий), то второй подход становится явно предпочтительным.

В современной науке накоплен значительный потенциал в области по-строе-ния, модернизации, оптимизации и оценки качества функционирования распределенных ИБС. Тем не менее, явно не достает эффективных алгоритмов и процедур управления, методов анализа и синтеза распределенных ИВС, особенно в задачах построения АСУП на базе ПК и использующих в качестве коммуникационной среды между подсистемами сеть общего пользования (Интернет).

Объект исследования диссертационной работы - управляющие распределенные ИВС АСУП реального времени, в которых в процессе обработки информации наблюдается нехватка вычислительных ресурсов.

Целыо диссертационном работы является решение научно-технической за-дачи разработки новых моделей, алгоритмов и процедур управления, на-правлен-ных на повышение производительности и качества обработки информации в АСУП.

Исходя из целей работы, задачами исследования являются:

1) Сравнительный анализ методов повышения производительности и качества функционирования распределенных ИВС АСУП.

2) Синтез новых моделей и алгоритмов функционирования распределенной ИВС.

3) Разработка методик оценки эффективности функционирования распределенной ИВС.

4) Экспериментальное исследование полученных результатов и внедрение их на производстве.

Методы исследования. Исследования поставленных выше задач проведены с использованием методов теории систем массового обслуживания, теории графов, теории вероятностей. Проводился анализ структур построения и процессов функционирования распределенной ИВС, моделирование и синтез на их основе оптимальных алгоритмов и моделей обработки информации.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1) Модели, алгоритмы и процедуры функционирования распределенной ИВС с перестраиваемой архитектурой.

2) Методика оценки системных характеристик распределенной ИВС с пе-ре-страиваемой архитектурой: среднее время отклика, доля необработанных запросов, эффективность использования.

3) Программное обеспечение разработанных компонентов распределенной ИВС и результаты экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

1) Предложен подход к построению распределенной ИВС АСУП, основанный на динамически меняющейся архитектуре распределенной ИВС в зависимости от условий функционирования и обеспечивающий повышение производительности системы в целом.

2) Разработаны новые модели, алгоритмы и процедуры обработки информации в распределенной ИВС с перестраиваемой архитектурой, основанные па системном походе, обеспечивающие эффективное функционирование АСУП на базе персональных компьютеров и использующих в качестве коммуникационной среды между подсистемами сеть общего пользования (Интернет).

3) Предложена методика приближенной оценки качества функционирования распределенной ИВС, основанная на комплексе математических моделей исследования зависимостей показателей эффективности от системных характеристик.

Практическая ценность полученных результатов заключается в разработанном программном обеспечении, позволяющем определить/протестировать характеристики распределенной ИВС, а также осуществить расширение ее функциональных возможностей, как в штатном режиме работы системы, так и в случаях нехватки вычислительных ресурсов и при низком уровне надежности системы. Их применение позволяет более эффективно использовать имеющиеся вычислительные ресурсы распределенной ИВС ЛСУП, а также избежать необоснованных затрат при модернизации АСУП.

Реализация и внедрение результатов работы. Работа по теме диссерта-ци-онной работы проводилась на кафедре ИЗИ ГОУ ВПО «Владимирский госу-дарст-венный университет» в рамках г/б НИР №№ 381/01, 396/03, х/д НИР №№ 3162/04, 3181/05, 3197/05. Полученные результаты исследований внедрены на ЗАО «Завод специального оборудования», ООО «MOKA», а также использовались при разработке трех учебных курсов кафедры ИЗИ ГОУ ВПО «ВлГУ».

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXII межведомственной научно-технической конференции (Серпухов, 2003), международной научно-практической конференции (Шуя, 2004), 4-й международной научно-технической конференции (Владимир, 2000), межрегиональной выставке «Информационные технологии» (Владимир, 2004, 2005), ярмарке-выставке «Современная образовательная среда» (Моск-ва, 2001, 2003). В процессе исследований опубликовано 13 работ, из них 7 статей и 6 тезисов докладов в трудах Международных и Российских научно-технических конференций и семинаров.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации - 156 страницы, в том числе - 139 страниц основного текста, 11 страниц списка литературы (119 наименований). Диссертация содержит 79 рисунков и 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Воронин, Алексей Александрович

4.6. Выводы

4) Моделирование и реализация ВК в практических задачах АСУП, показало, что наибольшая эффективность достигается для слабосвязанных по данным задачам, требующих больших вычислительных ресурсов. В тоже время для сильносвязапных по данным задач,-эффект достигается за счет опережающего использования ВК.

5) Экспериментальные исследования подтвердили адекватность предложенных математических моделей полученным экспериментальным данным.

6) Предложены подходы использования ВК для анализа защищенности систем и выявления потенциальных уязвимостей АСУП. Важным фактором является возможность, проведения тестирования до пуска системы на базе локальной сети предприятия.

7) Разработан комплекс программного обеспечения и конфигурационные файлы для расширения функциональных возможностей сервера РИВС, моделирования обращений пользователей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ стандартных средств повышения производительности РИВС показал, что они реализуется либо смещением клиент-серверных систем в сторону толстого клиента, либо аппаратной модернизацией сервера и требуют предварительного планирования.

2. Предложена классификация кластерных структур РИВС, на основе которой проведен их анализ. Доказана целесообразность использования смешанной кластерной структуры без разделения ресурсов, в которой взаимодействие серверов осуществляется по одной из двух моделей: «Активный-Активный» или «псевдо Активный-Активный».

3. Предложена типовая последовательность этапов обработки пользовательского запроса в кластерной структуре РИВС, на основе которой разработано семейство алгоритмов управления системы с изменяемой степенью распределенности.

4. Разработано формальное описание виртуальной кластерной структуры, на основании которого синтезированы математические модели типовых процедур обработки информации.

5. Предложена методика приближенной оценки качества функционирования РИВС с перестраиваемой архитектурой, основанная на комплексе математических моделей исследования зависимостей показателей эффективности от системных характеристик.

6. Разработан комплекс программно-алгоритмических средств для расчета характеристик РИВС на базе МаШСАЭ 2001.

7. Разработан комплекс программного обеспечения и конфигурационные файлы для расширения функциональных возможностей сервера РИВС, моделирования обращений пользователей.

8. Моделирование и реализация ВК в практических задачах АСУП, показало, что наибольшая эффективность достигается для слабосвязанных по данным задачам, требующих больших вычислительных ресурсов. В тоже время для сильносвязанных по данным задач, эффект достигается за счет опережающего использования ВК.

9. Предложены подходы использования ВК для анализа защищенности систем и выявления потенциальных'уязвимостей АСУП.

Таким образом, результаты теоретических и экспериментальных исследований дают основание заключить, что применение предложенных средств позволит повысить системные характеристики АСУП. Разработаны новые модели и алгоритмы, позволяющие перестраивать информационно-вычислительную подсистему, обеспечивающие системные свойства самоадаптации и восстановления в процессе функционирования. Полученные результаты использованы при построении и модернизации АСУП ряда производственных предприятий Владимирской области и в целом подтвердили эффективность предложенного подхода.

Материалы диссертации использованы при постановке учебных курсов по дисциплинам: Информатика, Методы программирования и прикладные алгоритмы, Структуры данных и объектно-ориентированное программирование, Аппаратные средства вычислительной техники.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Воронин, Алексей Александрович, 2005 год

1. Авен О.И., Гурнн H.H., Коган Я.А. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. М.: Наука, 1982.

2. Аншина М. Предприятие как единый объект автоматизации. Размышленияна тему (URL: www.topsbi.nl. www.asutp.ru?p=600261.html)

3. Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем. http://www.informika.ni/text/teach/topo1og/content.htm

4. Баронов В.В., Калянов Г.Н., Попов Ю.И. Рыбников А.И., Титовский И.Н. Автоматизация управления предприятием // М.: ИНФРА-М, 2000.

5. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. М.: Мир. - 1989.

6. Бесслер Р., Дойч А. Проектирование сетей связи. М.: Радио и связь, 1988.

7. Бойченко А.И. Модельные представления информационной инфраструктуры. (http://vvvwv.cplire.ni)

8. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами на С++.-М.: БИНОМ, 1998.1.. В поисках новых высот производительности / Керниган Б., Пайк Р. // Открытые системы. СУБД. 2000, - №5/6.

9. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 1999.

10. Вентцель Е.С., Овчаров J1.A. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Высшая школа, 2000.

11. Воеводин В.В., Капитонова А.П. «Методы описания и классификации вычислительных систем». Издательство МГУ, 1994.

12. Волчков А. Возможности вычислений на базе сервера. Журнал «Открытые системы», Июнь 2002 // Издательство «Открытые системы» (http://www.osp.ru)

13. Воронин A.A. Виртуальные кластерные решения. / Юбилейное издание ВлГУ. Владим. гос. ун-т. Владимир, 2003.

14. Воронин A.A. Методы программирования и прикладные алгоритмы: пособие. Ч. 1 / Владим. гос. ун-т. Владимир: Редакционно-издательский комплекс ВлГУ, 2004. - 68 с. - (Комплексная защита объектов информатизации. Кн. 5 / Под ред. М.Ю. Монахова).

15. Воронин A.A. Интенсификация использования вычислительных ресурсов па предприятиях // Социально-экономические системы и процессы: методы изучения и проблемы развития. Материалы международной научно-практической конференции, Владимир, 2005. сс. 330-333.

16. Воронин A.A., Калмыков М.С., Монахов М.Ю. Проблема защиты от коллективных распределенных атак на вычислительные ресурсы телекоммуникационных систем // Комплексная защита объектов информатизации.

17. Материалы научно-технического семинара межрегиональной выставки «Информационные технологии 2005», Владимир, Владим. гос. ун-т., 2005. сс. 55-58.

18. Григ Т. Сети Интранет. М.: Издательский торговый дом «Русская Редакция», 2000.

19. Жучков A.B., Ильин В.А., Кореньков В.В., «Некоторые аспекты создания глобальной системы распределенных вычислений в России», труды Всероссийской научной конференции «Высокопроизводительные вычисления и их приложения», сс. 227-231, Черноголовка, 2000

20. Захаров H.A. Очередные задачи промышленного Ethernet. Ежемесячный научно-технический и производственный журнал «Автоматизация в промышленности» №8, 2004.

21. Знакомство с возможностями масштабирования Windows 2000. // Материалы с сайта http://www.microsoft.com

22. Иванов А.Н., Золотарев C.B. Построение АСУ ТП на базе концепции открытых систем / Журнал "Мир ПК", #01, 1998 год // Издательство "Открытые системы" (littp://\vww.osp.rn)

23. Информационная образовательная сеть г.Владимира // http://ien.izivlpu.vladimir.nl.

24. Информационно-управляющие системы и сети: Структуры, моделирование, алгоритмы / Под общ. ред. М.Б.Сергеева. СПб: Политехника, 1999.

25. Использование методов имитационного моделирования экспертных систем реального времени / Рыбина Г.В. // Изв. АН. Теория и системы упр. -2000, №5

26. Калядин А. Методы повышения надежности систем SCADA (ЗАО РТСофт) (URL: www.rtsoft.ru. www.asutp.ni?p=600058.htmD

27. Карлин С. Основы теории случайных процессов: Пер. с англ. М.: Мир, 1971.

28. Клименко С., Уразметов В. Internet: среда обитания информационного общества. Протвино, РЦФТИ, 1995.

29. Климов Г.П. Теория массового обслуживания. М.: Наука, 1986.

30. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы / В.Г. Олифер, Н.А.Олифер. СПб: Издательство "Питер", 2000.

31. Кудрявцев Е.М., Ефимов В.Г. Моделирование сетей технического обслуживания на ЭВМ. Учеб.пособие. МИНВУЗ. МИСИ. 1987

32. Кузнецов С.Д. Доступ к базам данных с использованием технологий WWW // СУБД. 1996. №5-6.

33. Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия. СПб.: Питер, 1999.

34. Лаборатория Параллельных Информационных Технологий, НИВЦ МГУ, http://www.paralle1.rii

35. Лазарев В.Г., Лазарев Ю.В. Динамическое управление потоками информации в сетях связи. М.: Радио и связь, 1983.

36. Лебедев А.Н.,Чернявский Е.А. Вероятностные методы в вычислительной технике. М.:Высшая школа,1986.

37. Леньшин В.Н. Интеграция предприятия / Журнал «ComputerWorld», 36/2001.

38. Липаев В.В. Распределение ресурсов в вычислительных системах. М.: Статистика," 1979.

39. Лонгботтом Р. Надежность вычислительных систем / Пер. с англ.; Под ред. П.П.Пархоменко. М.: Энергоатомиздат, 1985.

40. Лукацкий А. Обнаружение атак. СПб:, БХВ-Петербург, 2001.

41. Максименков A.B. Основы проектирования информационно-вычислительных систем и сетей ЭВМ / Максименков A.B., Селезнев М.Л. -М.: Радио и связь, 1991.

42. Мамиконов А.Г. Проектирование АСУ. М.: Высшая школа, 1987.

43. Медведовский И.Д., Семьянов П.В., Платонов В.В. Атака через Internet. Под ред. П.Д. Зегжды СПб.: Мир и семья - 95, 1997.

44. Мельников В.В. Безопасность информации в автоматизированных системах. М.: Финансы и статистика, 2003.

45. Монахов М.Ю., Александров A.A. Выбор операционной системы для узла информационной образовательной сети // Проблемы дистанционного обучения. Тез. докл. Регио-нальиой научно-методической конференции, Иваново, 2000.

46. Монахов М.Ю., Александров A.A., Воронин A.A. Информационная обращу зовательная сеть // Математика. Компьютер. Образование. Тезисы докл.

47. VII Междунар. конференции. М.: 1999.

48. Монахов М.Ю., Александров A.A., Воронин A.A. Оптимальное распределение учебных материалов в информационной образовательной сети // Информационные технологии и электроника: Материалы IV Всеросх сийской НТК. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000.;

49. Монахов М.Ю., Воронин A.A. и др. К вопросу автоматизации контроля успеваемости в информационной образовательной сети. // Математика. Компьютер. Образование, ОИЯИ (г. Дубна), 2000.

50. Монахов М.Ю., Воронин A.A. Оптимальное распределение учебной информации в образовательной сети. Информационные образовательные сеJ