Оптимизация структуры процессов распределенных систем обработки информации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Крестьянинов, Василий Борисович

• Крестьянинов, Василий Борисович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Крестьянинов, Василий Борисович

Введение.

Глава 1. Анализ современных подходов к проектированию распределенных систем обработки информации.

1.1. Задачи проектирования распределенных систем.

1.2. Аппаратная организация распределенных систем.

1.2.1. Мультипроцессорные системы.

1.2.2. Гомогенные мультикомпьютерные системы.

1.2.3. Гетерогенные мультикомпьютерные системы.

1.3. Проектирование специального программного обеспечения распределенных систем обработки информации.

1.3.1. Проектирование программного обеспечения и его цели.

1.3.2. Принцип модульности.

1.3.3. Модульная структура и ее представление.

1.3.4. Формальное описание модульной структуры системы.

1.3.5. Проектирование интерфейсов модулей.

1.3.6. Категории модулей.

1.4. Промежуточное программное обеспечение распределенных систем обработки информации.

1.4.1. Архитектура СОЮЗА.

1.4.2. Распределенная модель DCOM.

1.4.3. Экспериментальная система Globe.

1.4.4. Технология ICE.

1.4.5. Спецификация IILA.

1.5. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Программные и технические средства распределенных тренажерных систем.

2.1. Классификация тренажеров, основные определения.

2.2. Обобщенная структура технических средств тренажера.

2.3. Состав и структура программного обеспечения тренажерной системы.

2.4. Общее программное обеспечение.

2.5. Специальное программное обеспечение.

2.5.1. Программное обеспечение поста руководства обучением

2.5.2. Программное обеспечение вычислительного моделирующего комплекса.

2.5.3. Программное обеспечение автоматизированного рабочего места обучаемого.

2.5. Организация сетевого взаимодействия модулей системы.

2.6. Формальное представление модульной структуры распределенной тренажерной системы.

2.7. Формализация постановки задачи исследования.

Глава 3. Разработка алгоритма, методики и программная реализация подхода

3.1. Разработка модели тренажерной системы.

3.2. Разработка моделей компонентов тренажерной системы.

3.2.1. Модель серверного компонента системы.

3.2.2. Модель автоматизированного рабочего места.

3.3. Обоснование показателей эффективности.

3.3.1. Показатель эффективности использования локальных ресурсов.

3.3.2. Показатель эффективности использования сетевых ресурсов.

3.3. Разработка алгоритма распределения процессов.

3.3.1. Описание данных.

3.3.2. Описание алгоритма.

3.4. Методика оптимизации структуры процессов.

3.5. Разработка программного обеспечения для проведения исследований.

3.5.1. Функциональная схема программного средства.

3.5.1. Интерфейс программного средства. Описание органов управления.

3.6. Выводы по главе.

Глава 4. Практическая реализация и исследования алгоритма.

4.1. Техническое и программное обеспечение тренажерной системы «Охта».

4.1.1. Техническое обеспечение тренажера «Охта».

4.1.2. Общее программное обеспечение тренажера «Охта».

4.1.3. Специальное обеспечение тренажера «Охта».

4.2. Разработка модуля распределения служб тренажера «Охта».

4.3. Исследование влияния коэффициента приоритета ресурсов на эффективность работы тренажерной системы.

4.4. Экспериментальные исследования эффективности работы тренажерной системы в различных конфигурациях.

4.5. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация структуры процессов распределенных систем обработки информации»

В настоящее время большое внимание уделяется построению тренажерных систем для подготовки операторов систем человек-машина в различных областях человеческой деятельности. Это обусловлено, прежде всего, высокой степенью технических решений и разработок, что, в свою очередь, приводит к существенному повышению требований предъявляемых к качеству и эффективности технической эксплуатации систем человек-машина на всех уровнях управления.

Качество и эффективность практической подготовки операторов систем человек-машина в значительной степени зависит от возможностей используемых в образовательном процессе тренажерных средств. Зачастую получается так, что существующие тренажерные базы для подготовки специалистов были разработаны, созданы и приняты в эксплуатацию достаточно давно и в значительной степени устарели как по своим техническим, так и дидактическим возможностям. Для повышения качества и эффективности подготовки специалистов требуются новые разработки тренажеров па основе современных компьютерных средств и технологий.

Существующие теоретические и практические результаты позволяют считать наиболее перспективными распределенные тренажерные системы и комплексы, функционирующие в рамках как одной, так и нескольких локальных вычислительных сетей. При проектировании и разработке такого рода систем как правило используются клиент-серверные технологии.

Распределенные вычислительные системы представляет собой одну из наиболее прогрессивных форм организации средств вычислительной техники. Одной из задач, возникающих при проектировании, разработке и эксплуатации распределенных тренажерных систем и комплексов на основе распределенной системы объектов, является задача нахождения такого размещения серверных компонент специального программного обеспечения по рабочим станциям тренажерной системы, при котором будет обеспечена максимальная производительность тренажерной системы, определяемая эффективностью использования как локальных, так и сетевых ресурсов распределенной вычислительной системы.

Производительность является одним из важнейших критериев оценки вычислительных систем. Зачастую производительность определяет возможность применения вычислительных систем и непосредственным образом влияет на её эффективность. Особое значение этот вопрос приобретает для целого ряда специализированных вычислительных систем, построенных на основе крупных компьютерных сетей, отличающихся высокой интенсивностью информационных потоков, значительными объемами передаваемой и обрабатываемой информации, сложностью аппаратных средств, общего и специальною программного обеспечения. К таким вычислительным системам можно отнести и тренажерные системы и комплексы.

Повышение производительности распределенной тренажерной системы может быть достигнуто посредством уменьшения системных ресурсов для функционирования специального программного обеспечения тренажерной системы, однако в таком случае происходит снижение дидактических возможностей тренажерной системы в целом. С другой стороны, повышение производительности может быть достигнуто путем рационального использования вычислительных ресурсов системы. В связи с этим задача повышения производительности тренажерной системы сводится к рациональному распределению компонентов специального программного обеспечения тренажерной системы, при котором будут обеспечены максимальные значения показателей эффективности использования локальных и сетевых ресурсов распределенной вычислительной системы.

Подходы к оценке ресурсов тренажерных систем отражены в работах В.Е. Шукшунова, Ю.А. Бакулова, В.Н. Григоренко и др. В этих работах приводится декомпозиция модели системы на процессы и определение критических состояний системы по различным параметрам путей на графе тренажерной системы.

В работе М.В. Якобовского уделяется внимание вопросам динамической балансировки нагрузки в многопроцессорных и многомашинных вычислительных системах.

Анализ современных реализаций распределенных тренажерных систем показал, что объемы передаваемой информации и требования системного программного обеспечения тренажерных систем к вычислительным ресурсам постоянно увеличиваются при сохранении существующей технической базы.

Проведенный обзор работ показал, что в настоящее время задача оптимизации структуры процессов тренажерной системы по узлам компьютерной сети для обеспечения эффективной обработки запросов пользователей не имеет приемлемого решения.

Разработке алгоритма решения этой актуальной научно-практической задачи и посвящена данная работа.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Крестьянинов, Василий Борисович

4.5. Выводы по главе

В четвертой главе диссертациоиной работы рассмотрена программная реализация предложенных подходов, которая обеспечивает управление распределением процессов серверных компонент в реальной тренажерной системе «Охта». Рассмотрен пример, в котором рассматриваются результаты применения и исследования возможностей предложенной методики для оптимизации структуры процессов для четырех типовых конфигураций тренажерной системы. Проведена сравнительная оценка предложенного алгоритма и алгоритма последовательного назначения, приводятся результирующие матрицы размещений и оценка эффективности использования локальных и сетевых ресурсов системы.

Заключение

Системы обработки информации находят всё большее применение в различных областях человеческой деятельности. Достаточно вспомнить о распределенной системе Интернет, которую называют всемирной компьютерной паутиной. Распределенная вычислительная система требует для своей работы значительного количества ресурсов как, например, производительности центрального процессора рабочей станции значительных объемов оперативной и дисковой памяти. Поэтому, проблема повышения эффективности использования ресурсов распределенной вычислительной системы является весьма актуальной как с технической, так и с экономической точки зрения.

В настоящее время наиболее перспективными считаются распределенные системы и комплексы, функционирующие в рамках как одной, так и нескольких локальных вычислительных сетей. Типичным представителем таких систем являются тренажерные системы и комплексы, реализованные на базе вычислительных сетей. Тренажерные системы являются наиболее эффективным средством подготовки операторов. Тренажеры играли и продолжают играть особую роль при подготовке операторов движущихся объектов - наземных, морских, воздушных и космических. В связи с этим значительное внимание уделяется разработке специального программного обеспечения тренажерных систем. Наличие множества взаимодействующих процессов, обеспечивающих функционирование тренажерной системы, функциональная надежность и т.д. - всё это приводит к необходимости динамического формирования оптимальной структуры процессов в рамках распределенной вычислительной системы. Диссертационная работа и посвящена решению этой актуальной научной задачи.

Первая глава диссертационной работы посвящена рассмотрению вопросов проектирования и архитектуры РСОИ. Показано, что современное программное обеспечение разрабатывается с использованием принципа модульности. Приводятся показатели качества модульной структуры программного обеспечения.

Описывается типовая структура специального программного обеспечения и её формальное представление, посредством определения различных отношений между программными модулями вычислительной системы. Рассматриваются различные категории программных модулей.

Во второй главе диссертационной работы приведены результаты анализа существующих средств программного и технического обеспечения РСОИ на примере тренажерных систем. Показано, что в этом случае, технические средства конкретной РСОИ определяются, прежде всего, её назначением, принятыми методами обоснования управляющих решений и спецификой объектов управления. Однако, несмотря на большое разнообразие указанных факторов и различия конструктивных и системных особенностей отдельных РСОИ, их структуры идентичны. Рассматриваются модульные принципы построения АРМ руководителя обучением и АРМ обучаемых и вычислительного моделирующего комплекса на основе DCOM-технологии. Освещаются вопросы сетевого межмодульного взаимодействия в распределенной тренажерной системе. Проводится анализ модульной структуры и предлагается её формальное описание на основе использования математических аппаратов теории множеств и теории графов.

В третьей главе диссертационной работы разработана модель процессов представленная графом, а так же модели серверных компонент и автоматизированных рабочих мест тренажерной системы. Приведено обоснование показателей эффективности использования локальных и сетевых ресурсов распределенной вычислительной системы. Разработан алгоритм и методика оптимизации структуры процессов распределенных систем обработки информации на примере тренажерной системы.

115

Приводится блок-схема разработанного алгоритма, а так же структура методики с подробным описанием. Для проведения исследований разработано программное средство.

В четвертой главе диссертационной работы рассмотрена программная реализация предложенных подходов, которая обеспечивает управление распределением процессов серверных компонент в реальной тренажерной системе «Охта». Рассмотрен пример, в котором рассматриваются результаты применения и исследования возможностей предложенной методики для оптимизации структуры процессов для четырех типовых конфигураций тренажерной системы. Проведена сравнительная оценка предложенного алгоритма и алгоритма последовательного назначения, приводятся результирующие матрицы размещений и оценка эффективности использования локальных и сетевых ресурсов системы.

В ходе работы над диссертацией были получены следующие результаты:

1. Проведен анализ структуры процессов специального программного обеспечения и основных принципов их построения с позиций системного подхода на примере тренажерных систем.

2. Разработаны модели компонентов и модель тренажерной системы в целом.

3. Разработан модифицированный алгоритм оптимизации структуры процессов специального программного обеспечения в распределенных системах обработки информации.

4. Разработано специальное программное обеспечение, реализующее предложенные подходы.

5. Результаты диссертационной работы использованы в ОКР по разработке тренажерной системы «Охта» и в НИОКР «Краб», выполненных в НИИ «Центрнрограммсистем» и Проектно-конструкторском бюро автоматизации производств, г. Тверь в 2006г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Крестьянинов, Василий Борисович, 2006 год

1. Агальцов В.П., Волдайская И.В. Математические методы в программировании: Учебник. М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2006. - 224 е.: ил.

2. Агибалов Г.П., Беляев В.А. Технология решения комбинаторно-логических задач методом сокращённого обхода дерева поиска. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1981. 125 с.

3. Алтунин В.К., Стручков A.M. Проектирование компьютерных систем обучения и интеллектуальной тренажерной подготовки / Под ред. О.М. Туровского, Тверь: ЦПС, 2004. 204 с.

4. Алферова З.В. Теория алгоритмов: Учебное пособие. М.: «Статистика», 1973.- 164 с.

5. Артеменко А.В., Крутиков Д.О. Промежуточное программное обеспечение в тренажеростроении. // Научно-методические материалы по автоматизации технического обеспечения, Тверь: ЦПС, 2004, с. 99 103.

6. Баласанов Г.Н. Моделирование и оптимизация в автоматизированных системах управления. М., Атомиздат, 1972. 392 с.

7. Басс Л., Клементе П., Кацман Р. Архитектура программного обеспечения на практике. 2-е изд. СПб.: Питер, 2006. - 575 е.: ил.

8. Башарин Г.П., Бочаров П.П., Коган Я.А. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчета. М.: Паука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - 336 с.

9. Беллман Р. Динамическое программирование. М.: Издательство иностранной литературы, 1960. -400с.: ил.

10. Берж К. Теория графов и её применения. М.: ИЛ, 1962. 319 с.

11. Берзин Е.А. Элементарные решения неэлементарных задач на графах / Под. ред. А.Н. Кудинова. Тверь: ТГТУ, 2005. 136с.

12. Большаков В.Д. Теория ошибок наблюдений: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: I Гедра, 1983. - 327с.

13. Бусленко Н.П., Калашников В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. М., Изд-во «Советское радио», 1973, 440 с.

14. Вейцман К. Распределенные системы мини- и микро-ЭВМ / Пер. с англ. В.И. Шаудкулиса и В.А. Шапошникова; Под ред. Г.П. Васильева. -М.: Финансы и статистика. 1982. 382 е., ил.

15. Венецкий И.Г., Кильдишев Г.С. Основы теории вероятностей и математической статистики. М.: Статистика, 1968. - 360 с.

16. Гармаш В.А., Шор Л.А., Шор О.Л. Алгоритм разбиения двудольного графа на паросочетания заданной мощности // Модели и методы информационных сетей. М.: Наука, 1990, с. 48-55.

17. Гецци К., Джазайери М., Мандриоли Д. Основы инженерии программного обеспечения. 2-е изд.: Пер. с англ. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 832 с.: ил.

18. Гренандер У. Случайные процессы и статистические выводы. -М.:Изд. иностр. лит., 1961. 167 с.

19. Гриншпан Л.А. Методы анализа стохастических сетевых моделей вычислительных систем / Под ред. B.C. Танаева. Мн.: Наука и техника, 1988.- 128 с.

20. Дегтярев Ю.И. Методы оптимизации: Учеб. пособие для вузов. -М.: Сов. Радио, 1980.-272 с.

21. Демидович Б.П., Кудрявцев В.А. Краткий курс высшей математики: учебное пособие для вузов М.: ACT: Астрель, 2005. - 654 е.: ил.

22. Дроздов Н.Д. Алгоритмы дискретного программирования: Учеб. пособие. Тверь: Твер.гос.ун-т., 2000. - 82с.

23. Емеличев В.А., Комлик В.И. Метод построения последовательности планов для решения задач дискретной оптимизации. М.: Наука, 1981.-208 с.

24. Емельянова 3.11., Партыка T.JI., Попов И.И. Основы построения автоматизированных информационных систем: Учебное пособие. М.: ФОРУМ: И11ФРА-М, 2005. - 416 е.: ил.

25. Еремин И.И. Противоречивые модели оптимального планирования. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988 г. - 160 с.

26. Зайченко Ю.П. Исследование операций. Киев: Издательское объединение «Вища школа» 1975, 320с.

27. Зиновьев Э.В., Клименко С.А. Декомпозиционный метод оптимального размещения информационных ресурсов в сетях ЭВМ с зональной структурой//Автоматика и вычислительная техника, 1987 г., № 6, с.54-60.

28. Каменова М.С. Системный подход к проектированию сложных систем. //Журнал д-раДобба. 1993. № I.e. 9-14.

29. Кристофидес II. Теория графов. Алгоритмический подход. М., «Мир», 1978,432 с.

30. Кнут Д.Э. Искусство программирования, том 3. Сортировка и поиск, 2-е изд.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2005. -824с.:ил.

31. Кузнецов Ю.Н. и др. Математическое программирование. Учеб. пособие для вузов. М., «Высш. школа», 1976. 352 е.: ил.

32. Лейнекер P. СОМ+. Энциклопедия программиста: Пер. с англ. / Р. Лейнекер СПб.: ООО «ДиаСофтЮП», 2002. - 656 с.

33. Лифшиц А.Л., Мальц Э.А. Статистическое моделирование систем массового обслуживания. М., «Сов. радио», 1978, 248 с.

34. Люгер Д.Ф. Искусственный интеллект: стратегии и методы решения сложных проблем, 4-е изд.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2005. - 864 е.: ил.

35. Мартин Д. Вычислительные сети и распределенная обработка данных: программное обеспечение, методы и архитектура: Пер. с англ. В 2вып. М.: Финансы и статистика. Вып. 1 - 1985 г. , 256 с. Вып. 2 - 1986 г., 296 с.

36. Мизин И.А. и др. Передача информации в сетях с коммутацией сообщений. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Связь», 1977.

37. Морозов В.К., Долгаиов А.В. Основы теории информационных сетей. М.: Высш. шк., 1987. - 271 е.: ил.

38. Назаров С.В., Барсуков А.Г. Измерительные средства и оптимизация вычислительных систем. М.: Радио и связь, 1990. - 248 е.: ил.

39. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети, принципы, технологии, протоколы. СПб: Издательство «Питер», 2000. - 672 е.: ил.

40. Орлов С. Технологии разработки программного обеспечения. -СПб.: Питер, 2002.-464 е.: ил.

41. Основы теории вычислительных систем. Под ред. С.А. Майорова. Учебное пособие для вузов. М., «Высш. школа», 1978.

42. Отладка систем управляющих алгоритмов ЦВМ реального времени. Под ред. проф. В. В. Липаева. М., «Сов. радио», 1974. 328 с.

43. Партыка Т.Л., Попов И.И. Математические методы: Учебник. -М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. 464 е.: ил.

44. Рейнгольд Э., Нивергельт 10., Део Н. Комбинаторные алгоритмы. Теория и практика. М.: Мир, 1980. 476 с.

45. Роллингз Э., Моррис Д. Проектирование и архитектура игр.: Пер с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2006. - 1040 е.: ил.

46. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы: Пер. с польск. И.Д. Рудинского. М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 452 е.: ил.

47. Садовский А.Ф. Использование посреднического программного обеспечения в комплексных авиационных тренажерах. // Сборник статей научно-технической конференции «Тренажерные технологии и симуляторы», Санкт Петербург- 2002, с. 148-150.

48. Сухарев Л.Г., Тимохов А.В., Федоров В.В. Курс методов оптимизации: Учеб. пособие. 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 368 с.

49. Таненбаум Э. Современные операционные системы. 2-е изд. -CI16.: Питер, 2006. 1038 е.: ил.

50. Таненбаум Э., М. Ван Стен. Распределенные системы. Принципы и парадигмы. СПб.: Питер, 2003. - 877 е.: ил.

51. Таха, Хемди А. Введение в исследование операций. 7-е изд.: Пер. с англ. М.:Издательский дом «Вильяме», 2005.-912 е.: ил.

52. Филатова Н.Н., Вавилова Н.И., Ахремчик О.Л. Мультимедиа тренажерные комплексы для технического образования // Educational Technology & Society 6(3) 2003, с. 164 186.

53. Финкельштейн IO.IO. Приближенные методы и прикладные задачи дискретного программирования. М.: Наука, 1976. - 295 с.

54. Формалев В.Ф., Ревизников Д.Л. Численные методы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 400с.

55. Фролов В.П., Львович Я.Е., Меткин Н.П. Автоматизированное проектирование технологических процессов и систем производства РЭС: Учеб. пособие для вузов.-М.: Высш. шк., 1991.-463 е.: ил.

56. Харари Ф. Теория графов / Пер. с англ. В.П. Козырева. Под ред. Г.11. Гаврилова. М.: КомКнига, 2006. - 296 с.

57. Хоар Ч. Взаимодействующие последовательные процессы: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 264 е., ил.

58. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. СПб.: Питер, 2004. - 668 е.: ил.

59. Цитович И.И. Последовательное планирование экспериментов и проверка сложных гипотез // Модели и методы информационных сетей. М.: Паука, 1990, с. 36-48.

60. Черноруцкий И.Г. Методы принятия решений. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. -416 с.: ил.

61. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука: Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 418 с.

62. Шукшунов В.Е., Бакулов Ю.А., Григоренко В.Н. и др. Тренажерные системы. М.: Машиностроение, 1981. - 256 с.

63. Якобовский М.В. Распределенные системы и сети. Учебное пособие. М.: МГТУ «Станкин», 2000. 118с., ил.

64. Янбых Г.Ф., Столяров Б.А. Оптимизация информационно-вычислительных сетей. М: Радио и связь, 1987 - 230 с.

65. Bob Salita. DCOM for Linux FAQ. http://www.softworksltd.com/ dcom-linuxfaq.html.