Модельно-алгоритмическая поддержка анализа транзакционной надежности в системах обработки информации и управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Гаврилов, Евгений Сергеевич

• Гаврилов, Евгений Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гаврилов, Евгений Сергеевич

Введение.

1 .Моделирование программной архитектуры и транзакций на архитектурном уровне.

1.1 Моделирование программной архитектуры.

1.1.1 Определение программной архитектуры.

1.1.2 Цели использования программной архитектуры.

1.1.3 Связь внешней среды и программной архитектуры.

1.1.4 Структуры программных средств.

1.1.5 Процесс разработки и программная архитектура.

1.1.6 Связанные направления.

1.2 Моделирование транзакций на архитектурном уровне проектирования программных средств.

1.2.1 Транзакционная структура (ТС).

1.2.2 Описание транзакционной структуры на UML.

1.3 Выводы.

• 2. Транзакции в АСУИО.

2.1 Транзакции и целостность баз данных.

2.1.1 Пример нарушения целостности базы.

2.1.2 Понятие транзакции.

2.1.3 Ограничения целостности.

2.1.4 Классификация ограничений целостности.

2.1.5 Классификация ограничений целостности по способам реализации.

2.1.6 Классификация ограничений целостности по времени проверки.

2.1.7 Классификация ограничений целостности по области действия.

2.1.8 Ограничения домена.

2.1.9 Ограничения атрибута.

2.1.10 Ограничения кортежа. ьф 2.1.11 Ограничения отношения.

2.1.12 Ограничения базы данных.

2.1.13 Реализация декларативных ограничений целостности средствами SQL.

2.1.14 Синтаксис операторов SQL, использующих ограничения.

2.2 Транзакции и восстановление данных.

2.2.1 Индивидуальный откат транзакции.

2.2.2 Восстановление после мягкого сбоя.

2.2.3 Восстановление после жесткого сбоя.

2.3 Выводы.

3. Многоверсионность данных и управление параллельными транзакциями. ф 3.1 Транзакции и параллелизм.

3.2 Временные метки.

3.3 Многоверсионный вариант двухфазного протокола синхронизации.

3.4 Многоверсионный протокол для транзакций, не изменяющих данные.

3.5 MVSG-планировщики.

3.6 Проблемы реализации версионных алгоритмов.

3.7 Выводы.

4. Модель оценки транзакционной надёжности программного обеспечения в АСУИО.

4.1 Описание модели оценки транзакционной надёжности.

4.2 Программная реализация системы модельно-алгоритмической поддержки анализа транзакционной надежности программных средств.

Р 4.3 Примеры решения задач и анализ результатов.

4.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модельно-алгоритмическая поддержка анализа транзакционной надежности в системах обработки информации и управления»

Актуальность работы. Проектирование современных систем обработки информации и управления предъявляет высокие требования по надежности к программным средствам. Существует ряд критичных областей науки и промышленности, где невыполнение этого требования и, как следствие, сбой работы системы управления может повлечь за собой значительные экономические потери в рамках как предприятия, так и целого региона. Такими областями являются банковская система, финансовые организации, космос, подводные и подземные исследования, атомная промышленность, химическое производство, прогнозирование и т.д. Поэтому одной из основных задач проектировщиков становится создание таких систем обработки информации и управления, которые обеспечивали бы устойчивость системы к программным и аппаратным сбоям. Для обеспечения надежности таких систем предложено множество подходов, включая организационные методы разработки, различные технологии и технологические программные средства, что требует, очевидно, привлечения значительных ресурсов. Однако отсутствие общепризнанных критериев надежности не позволяет ответить на вопрос, насколько надежнее становится система при соблюдении предлагаемых процедур и технологий и в какой степени оправданы затраты. Таким образом, приоритет задачи оценки надежности должен быть выше приоритета задачи ее обеспечения, чего на самом деле не наблюдается.

При разработке ответственных проектов, их создатели стараются в той или иной степени получить оценку надежности программного обеспечения, как правило, на основе результатов конечных испытаний. Современное программное обеспечение, применяемое в сложных информационных системах, использует при работе колоссальный объем данных, проходящих через стандартные модули и функции. Поэтому, выявить все связи и пути обработки информации, даже для достаточно несложной программы, практически невозможно. Исходя из этого, детализация элементов расчета надежности (условно называемых программными модулями) должна ограничиваться законченными программными образованиями, которые, взаимодействуя между собой, составляют более сложное объединение, операционная (транзакционная) надежность которого нас интересует.

В настоящее время транзакционная обработка информации становится одним из важнейших аспектов, определяющих корректность производимых вычислений и целостность данных, а следовательно, и характеристики качества программных средств, используемых в системах управления и обработки информации. Большое количество и постоянно возрастающая сложность программных средств, предусматривающих транзакционную обработку информации, требуют повышенного внимания к моделированию транзакций на протяжении всего процесса разработки. Реализуемая в программном средстве модель транзакционных вычислений, по сути, определяет, будет ли данное программное средство находиться в целостном состоянии и поддерживать требуемый уровень надежности системы.

Целью настоящего диссертационного исследования является решение следующей научно-технической проблемы: создание моделей и алгоритмов управления параллельными транзакциями на основе многоверсионности данных и анализа транзакционной надежности программного обеспечения, применяемого в системах обработки информации и управления. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ существующих архитектурных структур программного обеспечеия систем обработки информации и управления;

- формирование и исследование модели транзакционной структуры программного обеспечения в системах обработки информации и управления;

- разработка алгоритмов управления параллельными транзакциями в многопользовательских системах обработки информации и управления ;

- разработка модели анализа транзакционной надёжности программного обеспечения систем обработки информации и управления, работающей на этапе их полного тестирования;

- разработка и реализация системы модельно-алгоритмической поддержки анализа транзакционной надежности программных средств систем обработки информации и управления;

- применение системы при реализации реальных проектов разработки программных средств систем ERP-класса.

Методы исследования. При выполнении работы использовались математическое и вероятностное моделирование параметров сложных систем, методы оценки надежности сложных систем, элементы теории вероятностей, объектно-ориентированный анализ, теория надежности программного обеспечения.

Научная новизна работы:

1. На основе архитектурного анализа программного обеспечения в системах обработки информации и управления выделена транзакционная структура, анализ и моделирование которой позволяет определить целостность состояния и требуемый уровень надежности программного средства, а так же повысить эффективность обработки информации.

2. В рамках транзакционной структуры программного обеспечения многопользовательских ERP-систем обработки информации и управления впервые предложены и реализованы алгоритмы управления параллельными транзакциями на основе многоверсионности данных, позволившие обосновать уровень избыточности информационного обеспечения и повысить эффективность восстановления данных.

3. Предложены новые модель и алгоритм расчёта транзакционной надёжности программных средств, используемых в системах управления и обработки информации.

4. Осуществлена программная реализация системы модельно-алгоритмической поддержки анализа транзакционной надежности программных средств на фазе полного тестирования системы.

Значение для теории. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, создают теоретическую основу для разработки моделей, методов и алгоритмов, направленных на эффективный анализ транзакционной надёжности программных средств в системах обработки информации и управления.

Практическая ценность. Разработанная в диссертации система модельно-алгоритмической поддержки позволяет оценить транзакционную надежность программных средств в системах обработки информации и управления ERP-класса на примере MBS Axapta, выявить критичные по надежности операционные профили системы, влияющие на надежность функционирвоания системы в целом.

Достоверность полученных результатов подтверждается тестированием и оценкой результатов применения разработанной системы в реальных проектах, а также согласованностью расчетных и экспериментальных данных.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась по проектам межотраслевых программ Минобразования России и Минатома России по направлению «Научно-инновационное сотрудничество» (проект VII-12), а также в рамках тематического плана НИИ СУВПТ (2003-2006 гг.).

При использовании системы модельно-алгоритмической поддержки анализа транзакционной надежности программных средств был реализован модуль «Модель оценки надежности» системы Microsoft Business Solutions-Axapta, используемый в ООО «Торговая фирма ФОРС».

Разработанная на основе формальных моделей и алгоритмов программная система анализа транзакционной надёжности автоматизированных систем управления и обработки информации прошла экспертизу и зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ (№ гос. регистрации 50200500696, 50200500525, 50200500391), что делает её доступной широкому кругу специалистов по системному анализу, надёжностному моделированию и оптимизации сложных информационно-управляющих систем.

На защиту выносятся:

- Модель транзакционной структуры на этапе архитектурного моделирования программных средств в системах обработки информации и управления.

- Алгоритмы управления параллельными транзакциями, основанные на многоверсионности данных в многопользовательских системах обработки информации и управления.

- Модель и алгоритм оценки транзакционной надежности объектно-ориентированного программного обеспечения систем обработки информации и управления.

Система модельно-алгоритмической поддержки оценки транзакционной надежности программных средств систем обработки информации и управления.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы прошли апробацию на всероссийских конференциях, научных семинарах и научно-практических конференциях. В том числе: на Всеросийской научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование» (Томск, 2004), на 48-й научно-технической конференции преподавателей, аспирантов и студентов Красноярского государственного технического университета (Красноярск, 2006), на Пленарном заседании Второй Всероссийской конференции «Молодежь и наука: начало 21-го века», посвященной 50-летию КГТУ (Красноярск, 2006), на 5-ой Всероссийской научно-практической конференции «Недра Кузбасса. Инновации» (Кемерово, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Полный список публикаций представлен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Гаврилов, Евгений Сергеевич

4.4 Выводы

1. На фазе полного тестирования системы можно найти «узкие места» в системе - те компоненты, которые вносят наибольший вес в вероятности сбоя.

2. Имея точную информацию о том, какие именно операционные профили и входные диапазоны имеют наибольшую вероятность сбоя, тратиться меньше времени на поиск и устранение ошибок в коде.

3. Для готовой системы обработки и хранения информации с заданными операционными профилями можно подсчитать итоговую транзакционную надежность и коэффициент готовности системы, а также отслеживать их изменения в ходе устранения ошибок в «узких местах».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе общих тенденций развития технологий проектирования высоконадежного отказоустойчивого программного обеспечения был предложен способ решения задачи анализа транзакционной надежности программных средств систем обработки информации и управления на этапе полного тестирования. Решение этой проблемы базируется на следующих основных результатах, имеющих самостоятельное научное и практическое значение.

1. Произведён анализ существующих архитектурных структур программного обеспечеия систем обработки информации и управления.

2. Сформирована и исследована модель транзакционной структуры программного обеспечения в системах обработки информации и управления.

3. Разработаны алгоритмы управления параллельными транзакциями, основанные на многоверсионности данных в многопользовательских системах обработки информации и управления .

4. Разработана модель оценки транзакционной надёжности программного обеспечения систем обработки информации и управления, работающей на этапе их полного тестирования, которая позволяет найти те компоненты системы, которые вносят наибольший вес в вероятности сбоя.

5. Разработана система модельно-алгоритмической поддержки оценки транзакционной надежности программных средств систем обработки информации и управления, применение которой позволяет тратить меньше времени на поиск и устранение ошибок в коде.

6. Предложен метод реализации системы модельно-алгоритмической поддержки анализа транзакционной надежности путем интеграции в ERP-систему Microsoft Business Solutions - Axapta, который за счет уменьшения вероятности сбоя в соответствующих входных диапазонах данных, позволил получить новые улучшенные показатели коэффициента готовности системы, среднего времени простоя системы и среднего времени появления сбоя.

Построенная программная система была апробирована при реализации реальных проектов разработки систем обработки и хранения информации и показала достаточную степень адекватности расчетных параметров по сравнению с реальными показателями. Результаты выполнения реальных проектов подтвердили эффективность и универсальность разработанной системы анализа транзакционно надежности программных средств систем ERP-класса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гаврилов, Евгений Сергеевич, 2006 год

1. Бойко В.В., Савинков В.М. Проектирование баз данных информационных систем. М.: Финансы и статистика, 1989.

2. Боуман Д., Эмерсон С., Дарновски М. Практическое руководство по SQL. Киев: Диалектика, 1997.

3. Брой М. Информатика. Часть 2. М.: Диалог-МИФИ, 1996.

4. Брой М. Информатика, Часть 3. М.: Диалог-МИФИ, 1996.

5. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. М.: Издательство Бином, 1998.

6. Васкевич Д. Стратегии клиент/сервер. Киев: Диалектика, 1997.

7. Гаврилов Е.С., Ковалёв И.В., Царёв Р.Ю., Слободин М.Ю. Программная система «Real-Time System Analyzer ver. 1.0» (Система оценки архитектурной надёжности телекоммуникационных систем реального времени). М.: ВНТИЦ, 2005. - № 50200500696, Per. № ОФАП 4749.

8. Гаврилов Е.С., Ковалёв И.В., Антамошкин О.А., Русаков М.А. Диалоговая система оценки надёжности архитектуры программного обеспечения (Rapid Reliability ArchitecEstimator ver. 1.0)- M.: ВНТИЦ, 2005. № 50200500525, Per. № ОФАП 4623.

9. Гилуа М.М. Множественная модель данных в информационных системах. М.: Наука, 1992.

10. Голосов А.О. Аномалии в реляционных базах данных //СУБД. 1986. - №3. С.23-28.

11. Грабер М. Введение в SQL. М.: Лори, 1996. - 379 с.

12. Грабер М. Справочное руководство по SQL. М.: Лори, 1997. - 291 с.

13. Дейт К. Введение в системы баз данных // 6-издание. Киев: Диалектика, 1998. - 784 с.

14. Диго С.М. Проектирование и использование баз данных. М.: Финансы и статистика, 1995. - 208 с.

15. Злуф М.М. Query-by-Example: язык баз данных // СУБД. 1996. - №3. - С.149-160.

16. Кириллов В.В. Структуризованный язык запросов (SQL). СПб.: ИТМО, 1994.- 80 с.

17. Кузнецов С.Д. Введение в системы управления базами данных //СУБД. 1995.-№1,2,3,4, 1996. - №1,2,3,4,5.

18. Кузнецов С.Д. Стандарты языка реляционных баз данных SQL: краткий обзор //СУБД. 1996. - №2. - С.6-36.

19. Кузнецов С.Д. Операционные системы для управления базами данных //СУБД. 1996. - №3. - С.95-102.

20. Ладыженский Г.М. Системы управления базами данных коротко о главном //СУБД. - 1995. - №1,2,3,4.

21. Мартин Д. Планирование развития автоматизированных систем. М.: Финансы и статистика, 1984. - 196 с.

22. Мейер М. Теория реляционных баз данных. М.: Мир, 1987. - 608 с.

23. Оззу М.Т., Валдуриз П. Распределенные и параллельные системы баз данных //СУБД. 1996. - №4. - С.4-26.

24. Пржиялковский В. В. Абстракции в проектировании БД // СУБД. -1998.-№1.-С.90-97.

25. Прохоров А, Определение оптимальной структуры базы данных // Informix magazine. Русское издание. 1998. - Апрель.

26. Рузинкевич М., Цикоцки А. Определение и выполнение потоков транзакций // СУБД, 1995. N 2. 106-115. N 4. 58-68.

27. Смит Д.М., Смит Д.К. Абстракции баз данных: агрегация и обобщение//СУБД, 1996. N2. 141-160.

28. Ульман Д. Основы систем баз данных. М.: Финансы и статистика, 1983.-334 с.

29. Философский словарь / Под ред. И.Т. Фролова. М.: Политиздат, 1980.

30. Хомяков Д.М.,.Хомяков П.М. Основы системного анализа. М.: Изд-во механико-математического факультета МГУ, 1996.

31. Царёв Р.Ю., Семенько Т.И., Гаврилов Е.С. Информатика и вычислительная техника. Модели формирования и алгоритмы распределённой обработки информации и управления: Учеб. пособие. Красноярск: ИПЦКГТУ, 2005. 240с.

32. Чаудхари С. Методы оптимизации запросов в реляционных системах //СУБД. 1998. - №3. - С.22-36.

33. Чен П. Модель "сущность-связь" шаг к единому представлению о данных //СУБД. - 1995. - №3. - С. 137-158.

34. Abowd G., Allen R., Gralan D. Formalizing style to understand descriptions of software architecture. Technical Report CMU-CS-95-111. Pittsburgh, 1995.

35. Allen R.J. A formal approach to software architecture: Thesis, Pittsburgh, 1997.

36. ANSI X3.135-1992, American National Standart for Information Systems Database Language - SQL, November, 1992.

37. Astrahan M.M., System R: A Relational Approach to Data Base Management //ACM Transactions on Data Base Systems. 1976. - VI, 97, June.

38. Bachmann F., Bass L., Chastek G., Donohoe P., Peruzzi F. The architecture based design method. Technical Report CMU/SEI-2000-TR-001, ESC-TR-2000-001. Pittsburgh, 2000.

39. Bass L., Clements P., Kazman R. Software architecture in practice. Reading: Addison Wesley, 1998.

40. Biliris A., Bar S., Gehani N., Jagadish H.V., Ramamritham K. ASSET: A system for supporting extended transactions // Proceedings of the 1994 ACM SIGMOD International Conference on Management of Data, pp. 44-54. Minneapolis, Minnesota, 1994.

41. Booch C., Rumbaugh J., Jacobson I. The unified modeling language user guide. Reading: Addison Wesley, 1999.

42. Budgen D. Software design. Reading: Addison-Wesley, 1994.

43. Chrysanthis P., Ramamritham K. ACTA : A framework for specifying and reasoning about transaction structure and behavior // Proceedings of the 1990 ACM SIGMOD International Conference on Management of Data, pp. 194-203. Atlantic City, 1990.

44. Clements P.C., Northrop L.M. Software architecture: an executive overview. Technical Report CMU/SEI-96-TR-003, ESC-TR-96-003. Pittsburgh, 1996.

45. Common Business Object and Business Object Facility. OMG TC Document CF/96-01-04.

46. Edwards J., Devoe D. 3-tier client/server at work. New Work: Wiley Computer Publishing, 1997.

47. Egyed A. Integrated architectural views in UML. Technical Report USC/CSE-99-TR-514. Los Angeles, 1999.

48. Eswaran K.P., Gray J.N., Lorie R.A., Traiger I.L. The Notions of Consistency and Predicate Locks in a Data Base System //CACM. 1976. - V.19, №11.

49. Fagin R. Multivalued Dependencies and New Normal Form for Relational Databases //ACM TODS. 1977. - V.2, №3.

50. Fowler M., Scott К. UML distilled applying the standard object modeling language. Reading: Addison Wesley, 1997.

51. Gacek C. Detecting architectural mismatches during systems composition: Thesis. Los Angeles, 1998

52. Gamma E., Helm R., Johnson R., Vlisssides J."Design patterns: elements of reusable object-oriented software. Reading: Addison Wesley, 1995.

53. Garlan D., Shaw M. An introduction to software architecture // Advances in Software Engineering and Knowledge Engineering. Vol. 2, pp. 1—39. Singapore: World Scientific Publishing Company, 1993.

54. Garlan D., Monroe R., Wile D. Acme: an architecture description interchange language// Proceeding of CAS-CON*97, pp. 169-183. Toronto, 1997.

55. Gollofello J.S. Introduction to software verification and validation. SE Curriculum Module SEI-CM-13-1.1. Pittsburgh, 1988.

56. Gray J., Lorie R., Putzolu G., Traiger I. Granularity of Locks and Degrees of Consistency in a Shared Data Base //in Readings in Database Systems, Second Edition, Chapter 3, Michael Stonebraker, Ed., Morgan Kaufmann. 1994.

57. Held G.D., Stonebraker M.R., Wong E. INGRES: A Relational Data Base System //Proceedings of AF1PS National Computer Conference, Anaheim, CA, May. 1975.

58. Hoque R. CORBA 3 developer's guide. Foster City: IDG Books Worldwide, 1998.

59. Jacobson I., Booch C., Rumbaugh J. The unified software development process. Reading: Addison Wesley, 1999.

60. Kruchten P. The Rational unified process: an introduction. Reading: Addison Wesley, 1999.

61. Kruchten P. The 4+1 view model of architecture // IEEE Software. 1995. 12, N6. 42-50.

62. Medvidovic N. A classification and comparison framework for software architecture description languages. Technical Report UCI-ICS-97-02. Irvine, 1996. J

63. Meiton J., Simon A.R. Understanding The New SQL: A Comlete Guide // Morgan Kaufmann. 1993.

64. Moriconi M., Qian X., Riemenschneider R. Correct architecture refinement // IEEE Transactions on Software Engineering. 1995. 21, N 4. 356-372.

65. Morris G.R., Ferguson G.H. How architecture wins technology wars // Harvard Business Review. 1993. 86-96.

66. Moss J.E.B. Nested transactions: an approach to reliable computing. Cambridge: MIT Press, 1985.

67. Murphy G.C., Notkin D., Sullivan K. Software reflexion models: bridging the gap between source and high-level models // Proceedings of the Third ACM SIGSOFT Symposium on the Foundations, pp. 18-28. Washington, 1995.

68. OMG Unified Modeling Language Specification. Version 1.3. June 1999.

69. Orfali R., Harkey D. Client/server programming with Java and CORBA. New York: John Wiley & Sons, 1998.

70. Orfali R., Harkey D., Edwards J. The essential distributed objects. New York: Wiley Computer Publishing, 1996.

71. Perry D.E., Wolf A.L. Foundations for the study of software architecture // ACM SIGSOFT Software Engineering Notes. 1992. 17, N 4. 40-52.

72. Robbins J.E., Medvidovic N., Redmiles D.F., Rosenblum D.S. Integrated architecture description languages with a standard design method. University of California, Irvine, 1997.

73. Shaw M., Garlan D. Software architecture. London: Prentice-Hall, 1996.

74. Shaw M., Garlan D. Formulations and formalisms in software architecture // Computer Science Today. 1995. N 1000. 307-323.

75. Spencer D. Webster's new world dictionary of computer terms. New York: Prentice Hall, 1993.

76. Vaskevitch D. Client/server strategies. A survival guide for corporate reengineers. Foster City: IDG Books Worldwide, 1995.

77. What is software architecture? URL: http://www.sei.cmu.edu/architecture/definitions.html, Carnegie-Mellon University.

78. Wermelinger M. Specification, testing and analysis of (dynamic) software architecture with the chemical abstract machine. Departamento de Infomatica, Universidade Nova de Lisboa, Portugal, 1998.

79. Zloof M.M. Query By Example //Proceedings of AFIPS National Computer Conference, Anaheim, CA, May. 1975.