|
Одеський державний політехнічний університет
УДК 658.5.011.56: 681.3.01
Шварц Олег Петрович
Інформаційна технологія моделювання інтермерЕжі
У задачах проектування АСУ підприємства
Спеціальність 05.13.06 – Автоматизовані системи управління
і прогресивні інформаційні технології
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса – 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі “Комп'ютерні інтелектуальні системи і мережі” Одеського державного політехнічного університету Міністерства освіти України.
Науковий керівник: Нестеренко Сергій Анатолійович,
кандидат технічних наук, доцент
Одеський державний політехнічний
університет, доцент.
Офіційні опоненти: Становський Олександр Леонідович,
доктор технічних наук, професор
Одеський державний політехнічний
університет, завідувач кафедри;
Чмир Ігор Олексійович,
кандидат технічних наук, професор
Одеська державна академія холоду, директор
інституту інформаційних технологій.
Провідна установа: Інститут проблем реєстрації інформації НАН України (м. Київ), відділ проблемно-орієнтованих інформа-ційно-обчислювальних систем
Захист відбудеться 11 листопада 1999 р. о 13:30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському державному політехнічному університеті (65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського державного політехнічного університету (65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1).
Автореферат розісланий “_5_” жовтня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
канд. техн. наук, професор Ямпольський Ю.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Аналіз обчислювальних засобів сучасних АСУ великих виробничих і транспортних підприємств показує, що вони реалізуються у вигляді територіально розподілених багаторівневих мереж, що містять на нижньому рівні локальні обчислювальні мережі (ЛОМ) підрозділів. Такі мережі одержали назву інтермереж підприємства і відносяться до класу регіональних мереж.
Особливістю інтермереж АСУ підприємства є велика кількість різноманіт-них обчислювальних, комунікаційних і програмних засобів, які використовуються у складі такої мережі. Їх загальна кількість досягає декількох сотень, а іноді і тисяч одиниць.
Ще однією особливістю інтермережі підприємства є жорсткі часові обмеження на функціонування її окремих компонент, що визначається роботою ряду підсистем АСУ в реальному масштабі часу.
Велика кількість технічних засобів, що входять до складу інтермережі, та жорсткі часові обмеження, які накладаються на функціонування окремих її компонент, роблять процес проектування мережі надзвичайно трудомісткою та складною задачею.
Актуальність роботи визначається необхідністю розробки інформаційної технології моделювання, орієнтованої на інтермережі АСУ, яка дозволяє на доступних технічних засобах у прийнятні часові терміни розраховувати характеристики функціонування інтермережі АСУ підприємства.
Розв'язання такої задачі зводиться до розробки відповідної системи моделювання і технологій їх використання в задачах проектування інтермереж АСУ.
У свою чергу, побудова системи моделювання вимагає розробки структурно-інформаційних і математичних моделей функціонування інтермережі, а також методик їхньої побудови, параметризації і розрахунку.
Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до держбюджетної НДР № 326-62 кафедри комп'ютерних інтелектуальних систем і мереж Одеського державного політехнічного університету.
Метою дослідження є зниження фінансових та часових витрат при проектуванні обчислювальних засобів АСУ підприємства завдяки використанню нової інформаційної технології моделювання інтермереж.
Для досягнення цієї мети в роботі були розв'язані таки задачі:
- дослідження архітектурних особливостей і принципів побудови інтермереж АСУ;
- розробка методики створення багаторівневої ієрархічної структурно-інформаційної моделі для опису інтермережі АСУ і її підрозділів;
- формалізація правил аналізу структурно-інформаційної моделі обчислювальних засобів АСУ для кількісної оцінки різних варіантів побудови компонент мережі і інтермережі у цілому;
- розробка методики створення математичних моделей функціонування ЛОМ інтермережі АСУ з випадковим і детермінованим методами доступу до моноканалу, а також методів їх параметризації та розрахунку;
- розробка системи моделювання ймовірнісно-часових характеристик функціонування інтермережі АСУ;
- розробка методик моделювання ймовірнісно-часових характеристик функціонування інтермережі в задачах проектування обчислювальних засобів АСУ підприємства.
Наукова новизна одержаних результатів роботи:
- розроблені структурно-інформаційні моделі для ЛОМ підрозділів і інтермережі у цілому;
- розроблені математичні моделі функціонування ЛОМ інтермережі з випадковим і детермінованим методом доступу до моноканалу;
- запропонований декомпозіційний підхід до моделювання ймовірнісно-часових характеристик інтермережі підприємства.
Практичне значення роботи:
- інформаційна технологія моделювання була застосована при проектуванні ЛОМ підрозділу управління Одеської залізниці, що дозволило скоротити строки та зменшити вартість проектних робіт;
- теоретичні та практичні результати роботи були використовувані у методичних вказівках до дисципліни "Мережі ЕОМ" спеціальностей "Комп'ютерні інтелектуальні системи та мережі" і "Автоматизовані системи управління" Одеського державного політехнічного університету.
Особистий внесок здобувача полягає в аналізі існуючих, та розробці нової інформаційної технології моделювання інтермереж, та удосконаленні математичних та експериментальних методів досліджень.
Дисертантом запропанована автоматизована система моделювання ймовірнісно-часових характеристик інтермереж та методики її використання.
Апробація результатів: основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на конференціях студентів і молодих дослідників ОДПУ (Одеса, 1994 – 1997), конференції "Прогресивні інформаційні технології на залізничному транспорті" (Одеса, 1996), конференції “Комп'ютер-Банк-Офіс 96” (Одеса, 1996).
Публікації: за матеріалами дисертації опубліковано 5 наукових робіт.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів та списку літератури; об'єм роботи – 140 сторінок, додатків – 30 сторінок. Дисертація містить 8 таблиць та 37 малюнків.
ОСНОВНІЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі дослідження, викладені основні наукові і практичні результати, які виведені на захист.
У першому розділі розглянута структура обчислювальних засобів сучасних АСУ підприємствами, яка реалізується у вигляді регіональних інтермереж комп'ютерів. Архітектурною особливістю таких мереж є їх реалізація у вигляді двохрівневих систем. На нижньому рівні знаходяться ЛОМ підрозділів. На верхньому рівні розташована комунікаційна мережа, яка об'єднує усі ЛОМ нижнього рівня.
Огляд технічних і програмних засобів, які використовуються при побудові ЛОМ підрозділів АСУ, показав, що вони будуються, як правило, за принципом односегментних мультісерверних мереж і працюють за схемою “клієнт-сервер”. У частині апаратури, яка використовується при побудові ЛОМ підрозділів, найчастіше застосовуються ПЕОМ типу IBM PC. При реалізації середовища передачі інформації в ЛОМ використовується коаксіальний кабель або звита пара. При побудові середовища передачі даних ЛОМ використовуються повторювачі, які забезпечують можливість збільшення протяжності ЛОМ, а також концентратори і комутатори, які дозволяють використовувати сучасні мережні технології 10/100Base-T.
Програмне забезпечення (ПЗ), яке використовується для побудові ЛОМ підрозділів АСУ, складається з мережної операційної системи і прикладного ПЗ, що забезпечує рішення цільових задач відповідних підсистем АСУ. У якості базової мережної технології використовується технологія Ethernet та її модифікації.
Проведений аналіз варіантів організації комунікаційного середовища інтермережі з використанням телефонних та оптичних каналів зв'язку показав, що застосування телефонних каналів зв'язку дозволяє реалізацію інтермереж стандартів X.25 або frame relay. При використанні в якості каналів зв'язку між ЛОМ оптоволокна комунікаційна мережа відповідає, як правило, стандартам FDDI або ATM.
В інтермережі використовуються канали зв'язку з випадковим і детермінованим методами доступу до середовища передачі інформації.
Огляд сучасних систем і методик моделювання інтермереж показав, що усі відомі системи моделювання використовують імітаційні методи для розрахунку ймовірнісно-часових характеристик функціонування інтермережі. Це накладає істотні обмеження на їхнє використання, що пов'язано з великими часовими витратами на моделювання і необхідністю застосування дорогих засобів обчислювальної техніки (Міні-ЕОМ) для проведення таких розрахунків. Існуючі методики застосування систем моделювання орієнтовані на проектування мереж загального використання і не враховують роботу в режимі реального часу. Тому їхнє застосування при проектуванні інтермереж АСУ як систем реального часу неможливе.
У другому розділі розроблена структурно-інформаційна модель інтермережі, яка є основою для кількісних оцінок характеристик мережі та її компонент і використовується на різних етапах проектування інтермережі. Модель у формалізованій формі описує структуру зв'язків між компонентами мережі та об'єми інформації, переданої між ними.
Аналіз моделей, які використовуються для відображення структури та інформаційних потоків різних систем показав, що в зв'язку з високою складністю інтермереж АСУ, найбільш результативним для побудови структурно-інформаційної моделей є використання запропонованої у роботі модифікації технології Structured Analysis & Design Technique (SADT). Суть модифікації SADT технології полягає у тому, що кожний елемент діаграми відображає компонент (групу компонентів) інтермережі. Дуги, які об'єднують компоненти діаграм, відображають інформаційні потоки, а також вимоги, що пред'являються до комунікаційного обладнання, використаного для підключення кожного компонента до інтермережі, і характеристики самого компонента. На базі цієї модифікації SADT технології розроблена структурно-інформаційна модель (СІМ) інтермережі АСУ. СІМ представляється у вигляді набору ієрархічних багаторівневих структурно-інформаційних діаграм (СІД), які використовуються як для опису окремих компонент, так і інтермережі у цілому. У роботі запропонований трьохрівневий опис інтермереж АСУ: перший рівень – це рівень інтермережі АСУ; другий – рівень ЛОМ підрозділів; третій – рівень абонентів ЛОМ (ПЕОМ, файлові сервери, комунікаційне устаткування, тощо).
Таким чином, СІМ інтермережі може бути задана трьохкомпонентним вектором, в якому кожний компонент представляє множину СІД відповідного рівня ієрархії, тобто
СІМ =< { СІД1 }, { СІД2 },{ СІД3 } >, (1)
де СІДi – множина діаграм i-ого рівня ієрархії.
При цьому кожна СІДi складається з множини структурно-інформаційних блоків (СІБ) і векторів U, які визначають зв'язкі між ними.
СІДi=<{СІБji | j= 1,n},U>, (2)
де n – кількість СІБ, які описують даний рівень ієрархії СІД.
Кожна СІБij задається четвіркою векторів виду:
СІБji = < Aji, Bji, Cji, Dji>, (3)
де Aji, Bji – вхідні і вихідні вектори j-ого блока i-ого рівня ієрархії діаграми, що визначають середню швидкість передачі інформації відповідним блоком; Сji – вектор комунікації j-ого блока i-ого рівня, що описує комунікаційні засоби, які використовуються даним блоком; Dji – вектор структури j-ого блока i-ого рівня, компоненти якого описують склад та основні характеристики його елементів, а також їхню вартість.
Ієрархічний характер моделі дозволяє декомпозувати СІБ-блок i-ого рівня в СІД-диаграму i+1-ого рівня, що робить можливим представлення будь-якого рівня моделі з необхідним ступенем деталізації.
Запропонована методика побудови структурно-інформаційної моделі інтермережі, що складається з трьох етапів. На першому етапі будується структурна модель, на другому – інформаційна модель інтермережі, а на третьому етапі шляхом диз'юнкції компонентів блоків структурної та інформаційної моделі утворюється структурно-інформаційна модель.
Процес побудови структурної моделі здійснюється від верхнього рівня ієрархії до нижнього і складається з трьох кроків. На першому кроці будується структурна модель інтермережі у цілому, на другому – структурні моделі ЛОМ підрозділів, на третьому – структурні моделі компонентів ЛОМ.
Процес побудови інформаційної моделі інтермережі здійснюється від нижнього рівня до верхнього і містить також три кроки. На першому кроці будується інформаційна модель компонентів ЛОМ підрозділів, тобто описуються потоки інформації, сформовані й оброблені робочими станціями, файловими і комунікаційними серверами, на другому – будуються інформаційні моделі ЛОМ підрозділів, на третьому – виконується побудова інформаційної моделі інтермережі в цілому. На кожному з кроків, так само формується вектор U, який описує зв'язуючі дуги інформаційних блоків.
Процес одержання СІБ зводиться до диз'юнкції відповідних компонент векторів структурних та інформаційних блоків. Множина СІБ і вектор U визначають СІД відповідного рівня ієрархії. Сукупність СІД усіх рівнів ієрархії і визначає СІМ інтермережі у цілому.
Розроблена технологія чисельного аналізу структурно-інформаційної моделі дозволяє визначати чисельні обмеження по працездатності до характеристик компонент мережі: мережних адаптерів, моноканалів, концентраторів, комутаторів та іншого комунікаційного устаткування. Одержані за допомогою технології чисельного аналізу результати перевірки чисельних обмежень є основою для коригування структури проектуємої мережі. Дана технологія дозволяє також оцінювати вартісні характеристики як окремих компонент, так і інтермережі у цілому.
У третьому розділі доведено, що моделювання ймовірнісно-часових характеристик функціонування інтермережі підприємства найбільш доцільно проводити на рівні їхніх основних компонент – ЛОМ підрозділів. Запропоновано методику декомпозиції інтермережі підприємства на ЛОМ підрозділів, яка враховує взаємодію між усіма ЛОМ підприємства. Відповідно до цієї методики, в кожну ЛОМ, одержану в результаті декомпозиції, вводяться дві групи фіктивних модулів: модулі віддалених користувачів і модулі віддалених серверів. Перша група модулів створює в ЛОМ навантаження, еквівалентне всім віддаленим користувачам інтермережі, а друга – ?нтерпретує звернення користувачів ЛОМ до усіх віддалених серверів інтермережі.
Розроблена концептуальна модель функціонування ЛОМ за схемою “клієнт-сервер”, яка приведена на рис. 1.
Рис. 1. Концептуальна модель ЛОМ типа "кліент-сервер",
яка працює у складі інтермережі.
Математична модель, яка відповідає ЛОМ із випадковим методом доступу до моноканалу, представляється у вигляді трьохвузлової замкнутої мережі масового обслуговування (ЗММО). Перший вузол моделює роботу абонентів, другий – моноканала і третій – серверів ЛОМ.
Вузол, який моделює роботу абонентів мережі, представляється у вигляді багатоканальної системи масового обслуговування (СМО) з однорідним або неоднорідним потоками заявок виду М/М/n. Якщо мережа складається з однотипних абонентів, які працюють під управлінням однотипного ПЗ, то вузол представляється однорідною СМО. Якщо в мережі є неоднорідні абоненти, то вони об'єднуються в l однорідних груп, і вузол представляється багатоканальною СМО з l вхідними потоками. При цьому до складу абонентів включаються модулі віддалених користувачів, які також об'єднуються відповідно до типу навантаження, яке створюється.
Запропанована модель відображає роботу ЛОМ у режимі "клієнт-сервер", в якому припускається наявність у моноканалі пакетів двох типів: заявок і відповідей, тому вузол, якій моделює роботу моноканала з випадковим методом доступу, представляється у вигляді одноканальної неоднорідної СМО М/М/1 із двома вхідними чергами.
Вузол, що моделює роботу серверів, представляється у вигляді множини М одноканальних СМО виду М/М/1 з однорідними або неоднорідними вхідними потоками. До його складу включаються модулі віддалених серверів.
Моделі модулів абонентів, моноканалу та серверів наведені на рис. 2 – 4.
Рис. 2. Модель вузла абонентів мережі:
а) с однорідними абонентами; б) с l неоднорідними абонентами
Рис. 3. Модель вузла – моноканал
Рис.4. Модель вузла серверів мережі
Для розрахунку ЛОМ із випадковим методом доступу запропоновано використання чисельного методу розрахунку, заснованого на алгоритмі SCAT (Self-Correcting Approximation Technique) – модернізованому алгоритмі середніх значень.
Розроблена двухвузлова концептуальна модель однорідної ЛОМ із детермінованим методом доступу до моноканалу наведена на рис. 5.
Рис. 5. Концептуальна модель однорідної ЛОМ
с детермінованим методом доступу до моноканалу
Перший вузол такої моделі описує роботу абонентів і серверів мережі, а другий вузол – роботу моноканала. Вузол, що моделює роботу абонентів та серверів, представляється у вигляді множини N одноканальних СМО виду М/М/1 с однорідними вхідними потоками запитань. До складу вузла включаються моделі віддалених користувачів і серверів. У якості моделі моноканалу використовується одноканальна неоднорідна СМО виду M/M/1 с двома класами запитань. Перший клас відображає передачу опитувальних пакетів у моноканалі і має мінімальний час обслуговування, а другий – відображає передачу інформаційних пакетів. Запропоновано методику розрахунку даної моделі з використанням апарата марківськіх процесів. Методика дозволяє розраховувати час реакції системи на запитання абонента:
tр= tпід+2·W+tпер'+tc+tпер", (4)
де tпід – час підготовки інформаційного пакету; W- середній час очікування передачі інформаційного пакету; tпер ' – час передачі пакету запиту; tc – час обробки запитання на сервері; tпер" – час передачі пакету відповіді. Загрузка вузла абонентів-серверів обробкою інформаційних пакетів дорівнює сумі ймовірностей обробки інформаційних пактів усіма абонентами-серверами:
 , (5)
а загрузка вузла моноканал дорівнює сумі ймовірностей обробки інформаційних пактів від усіх абонентів-серверів моноканалом:
 , (6)
Запропонована методика і визначен набір програмно-апаратних засобів, необхідних для параметризації математичних моделей ЛОМ інтермережі. Для цього запропоновано використання стандартних мережних моніторів, за допомогою яких можливо провести розрахунок часу обслуговування заявки у різних елементах мережі.
Проведено атестацію математичних моделей і чисельних методів їхнього розрахунку з використанням імітаційного моделювання. Для цього були розроблені імітаційні моделі ЛОМ з випадковим та детермінованим методом доступу до моноканалу. Атестація проводилась у широкому спектрі розміру пакетів та кількості абонентів мережі і показала, що максимальна погрішність не перевищувала 30%. Результати атестації для моделі з випадковим методом доступу до моноканалу наведені на рис. 6.
Рис. 6. Графік залежності погрішності εМ від числа абонентів N у системі
для пакетів різної довжини m.
| 
