Разработка моделей и методов структурного резервирования программного и информационного обеспечения автоматизированных информационных систем

Широкое внедрение локальных вычислительных сетей, распределенных баз данных и систем передачи информации в значительной степени вызвано потребностями в новых технологиях обработки данных, повышением требований к оперативности и устойчивости управления организационными системами, а также качественными изменениями в структуре современных АИС, внедрением мини-, микро-и персональных ЭВМ, «интеллектуальных» терминалов, с резким снижением затрат на функционирование распределенных систем.

Интенсивное развитие процесса информатизации управленческой деятельности в различных сферах деятельности приводит к осознанию роли и возможностей средств автоматизации в процессе управления, переосмысления взглядов на проблему создания, внедрения и эксплуатации АИС. Это требует разработки высокоэффективной технологии проектирования, позволяющей создавать надежные системы различной сложности, уровня и назначения в сжатые сроки при минимальных затратах труда.

Существует большое число работ, посвященных сетям ЭВМ, в том числе ЛВС, в которых предлагаются различные модели и методы количественного обоснования принимаемых решений по выбору рациональных вариантов построения и организации функционирования ЛВС. К авторам наиболее известных этих работ относятся В. М. Глушков, Д. Флинт, А. Я. Якубайтис. В работах этих авторов [1−5] излагаются основные принципы построения сетей ЭВМ, организация сетей передачи данных и связи, их анализ и синтез.

В работе [6] Г. Т. Артамонова и В. Д. Тюрина 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 [7] Г. Ф. Янбых и Б. А. Столярова 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 [8]. В работах В. А. Балыбердина [9−10] 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.

Если рассмотреть накопленный опыт при решении задач оптимизации и повышения устойчивости информационно-вычислительного процесса (ИВП), сохранности информации в сетях ЭВМ, то необходимо отметить научный вклад таких ученых, как В. В. Хорошевский [11], E.H. Турута [12−13], O.K. Кондратьев [14], А. Г. Мамиконов, В. В. Кульба [3133].

Авторы этих работ, связанных с оптимизацией информационно-вычислительного процесса в системе вычислительных средств сети ЭВМ рассматривают программное и информационное обеспечение (ПО и ИО) на уровне функциональных модулей, построенных без учета свойств распределенных систем. Модульность, положенная в основу решения задач рациональной организации сбора и обработки информации, распределения и перераспределения программных модулей и информационных массивов по узлам сети принимается как данность ввиду ряда трудностей, связанных с их решением.

Между тем, содержание программных модулей и информационных массивов в силу разнородности составляющих их элементов по различным качественным и количественным параметрам в значительной степени влияет как на характеристики ИБП, так и на эффективность функционирования всей АИС, построенной на базе сети ЭВМ.

Синтезу модульных систем обработки данных посвящено множество работ, связанных с именами H.A. Кузнецова, А. Г. Мамиконова, В. В. Кульбы, В. В. Липаева, Г. З. Казиева, С. А. Косяченко, А. Б. Шелкова и др. В работе [16] на основе единой методологии излагаются формализованные модели и методы синтеза оптимальных модульных систем обработки данных, работа [17] целиком посвящена методам анализа и синтеза класса систем обработки данных реального времени.

Методам упорядочения и оптимизации структур распределенных баз данных на этапах предпроектного анализа, технического проектирования и эксплуатации АИС посвящены работы Дж. Хаббарда [18], А. Г. Мамиконова, В. В. Кульбы, С. А. Косяченко, И. А. Ужастова [1921] и др. В работе [19] приведены модели, методы и алгоритмы анализа и структуризации предметных областей пользователей и синтеза оптимальных по различным критериям эффективности логических и физических структур распределенных баз данных. Однако, в перечисленных работах содержание программных модулей и информационных массивов при проектировании модульных систем обработки данных определяется без учета структуры вычислительной среды и возможности параллельной обработки информации в вычислительной сети.

Приведенный обзор работ, показывает, что задачи организации информационно-вычислительного процесса и повышения его устойчивости в системе вычислительных средств сети ЭВМ и задачи структурного построения специального математического и программного обеспечения решались в основном независимо и изучены с различной степенью глубины.

Работы, проведенные в этом направлении к настоящему времени обладают рядом существенных недостатков.

1. Не разработан комплексный подход к проектированию программного и информационного обеспечения задач автоматизации, одновременно учитывающий их внутренние свойства и технические характеристики локальных сетей ЭВМ, что приводит к не полному использованию эмерджентных свойств систем с распределенной обработкой информации.

2. Недостаточно формализованы способы и методы обеспечения гибкости систем с распределенной обработкой информации, работающие в режиме решения одной задачи.

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 и применения 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 проектирования оптимальных распределенных систем обработки данных и разработки эффективных методов их решения.

Таким образом, научной задачей, решаемой в диссертации, является разработка формализованных моделей и методов структурного резервирования программного и информационного обеспечения АИС, функционирующих на базе ЛВС.

Наряду с выше перечисленным, актуальность темы исследования определяется: постоянным повышением зависимости качества организационного управления от возможностей и эффективности автоматизированной системы управления, функционирующей на базе локальной сети ЭВМсущественным отставанием организационных систем управления России от аналогичных систем развитых европейских государств и США по оперативности, устойчивости управления и уровню развития средств автоматизации и связи.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является повышение надежностных и временных характеристик функционирования ПО и ИО АИС, построенных на базе ЛВС.

Методы исследования.

Методы исследования основаны на использовании аппарата теории исследования операций, теории матриц, теории графов, а также на проведении практических и экспериментальных расчетов на ЭВМ.

Научная новизна.

В результате проведенных исследований, анализа и обобщения опыта проектирования и эксплуатации автоматизированных систем управления различного класса и назначения разработан комплекс моделей и методов структурного резервирования данных для ЛВС. В отличие от известных методов повышения устойчивости информационно-вычислительного процесса впервые разработан и выделен специальный класс моделей оптимизации — модели повышения безопасности структур программного и информационного обеспечения в условиях действия дестабилизирующих факторов и изменения качества входной информации, учитывающие возможность параллельной обработки данных в ЛВС. В рамках методов структурного резервирования разработаны модели, основанные на применении структурно-технологического и виртуально-восстановительного резервирования данных.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Работа содержит стр. 119 машинописного текста, 14 рисунков, 3 таблицы, а также список литературы (82 наименований).

Выводы.

1. На основе анализа рассмотренных задач синтеза виртуально-восстановительного резерва, выраженного в виде системы утверждений и следствий, предложены эффективные методы их решения, основанные на схеме «ветвей и границ» и существенно снижающие размерности задач с конкретными исходными данными.

2. Разработаны модифицированные методы вектора спада для решения задач синтеза структурного резерва, позволяющие получать локально-оптимальные решения в условиях жестко фиксированного временного интервала, что дает возможность использовать результаты исследования для динамической реконфигурации ПО и, НО в ЛВС.

3. Рассмотренные примеры проектирования структурного резерва показали работоспособность разработанных моделей и методов. При двухузловой ЛВС и наиболее жестком отношении параметров каналов связи и технических средств обработки информации применение структурно-технологического резерва повысило надежность выполнения комплекса программных модулей на 23%. Применение ВВР позволило сократить время реакции системы на 18% при увеличении допустимого относительного времени корректировки ИЭ на 30%.

4. Обоснованы рекомендации по использованию структурно-технологического резервирования ПО и ИО и виртуально-восстановительного резервирования данных в АИС, функционирующих на базе ЛВС и критичных одновременно к оперативности обработки данных и их сохранности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Современный этап в развитии индустрии обработки данных характеризуется широким использованием новой технологии обработки данных, основу которой составляют локальные вычислительные сети (ЛВС).

В диссертационной работе решена научная задача разработки формализованных моделей и методов структурного резервирования программного и информационного обеспечения АИС, функционирующих на базе ЛВС.

Сложность решения задачи обуславливается распределенностью АИС, большим объемом информационно-вычислительных работ, необходимостью учета специфических факторов, характерных для АИС, функционирующих на базе ЛВС, жесткими требованиями к вероятностно-временным характеристикам процесса обработки данных и значительного влияния СМПО на этот процесс.

Обоснованы пути повышения надежности и оперативности обработки структурированных данных в АИС, построенных на базе ЛВС, основными из которых являются введение структурной избыточности и модульная организация СМПО в рамках распределенной системы обработки данных, автоматизация проектирования СМПО.

Анализ оптимизационных моделей повышения надежности программного и информационного обеспечения для распределенных систем показал, что они не учитывают в полной мере эмерджентного свойства распределенных систем, присущего системам параллельной обработки данныхне достаточно исследованы вопросы разработки структурного резерва программного и информационного обеспечения для таких типов систем, в которых техническое и математическое обеспечение характеризуется различной степенью связности.

Для устранения указанных недостатков решение задачи оптимального структурного построения ПО и ИО АИС, функционирующих на базе ЛВС, представлено в виде комплексного решения задач оптимизации структуры алгоритмов как с точки зрения максимального использования ресурсов ЛВС, так и с точки зрения повышения гибкости получаемых проектных решений с учетом возможных реконфигураций функциональных структур систем организационного управления.

Учет особенностей проектирования структурного резерва для ПО и ИО АИС, функционирующих на базе ЛВС, достигается за счет введения в разработанные модели параметров, определяющих внутренние структурно-технологические свойства задач, определения функциональной зависимости надежности и времени решения задач в вычислительной сети от параметров синтезируемых модульных систем обработки данных.

На основе анализа существующих методов повышения сохранности данных в АИС предложена совокупность оптимизационных моделей, реализующих методологию последовательного эквивалентного преобразования матричных моделей распределенных систем обработки данных в зависимости от этапа анализа системы и необходимости получения требуемых характеристик.

В соответствии с поставленной целью повышения надежностных и временных характеристик функционирования ПО и ИО АИС, построенных на базе ЛВС разработан комплекс моделей и методов структурного резервирования данных для ЛВС. В отличие от известных методов повышения устойчивости информационно-вычислительного процесса впервые разработан и выделен специальный класс моделей оптимизации — модели повышения безопасности структур программного и информационного обеспечения в условиях действия дестабилизирующих факторов и изменения качества входной информации, учитывающие возможность параллельной обработки данных в ЛВС.

В рамках методов структурного резервирования разработаны модели, основанные на применении структурно-технологического и виртуально-восстановительного резервирования данных, которые позволили повысить надежностные характеристики ПО и ПО АИС, функционирующих на базе ЛВС, а также оперативность обработки данных.

Решение задачи проектирования содержания структурно-технологического резерва и его размещения по узлам ЛВС обеспечивает максимальную безопасность логической структуры программного и информационного обеспечения с учетом возможных топологий локальной вычислительной сети.

Комплексная задача повышения сохранности и оперативности обработки данных АИС решена за счет разработки формализованных моделей и методов виртуально-восстановительного резервирования. В рамках системы резервирования рассмотрены задачи проектирования виртуально-восстановительного резерва (ВВР) и его размещения в узлах ЛВС по критериям: равномерного распределения выигрыша от использования ВВР по узлам ЛВС, минимума степени виртуальности резерва.

Разработанные модели виртуально-восстановительного резервирования данных в АИС, функционирующих на базе ЛВС, основаны на более гибком использовании понятия качества информации, позволяют повысить оперативность обработки данных, а также их сохранность в условиях действия дестабилизирующих факторов.

Проведенный анализ особенностей задач синтеза структурного резерва позволил осуществить их постановку в виде комбинаторных задач на структурных множествах и оценить выигрыш от учета структурных ограничений. Разработана декомпозиция задачи синтеза структурно-технологического резерва на ряд взаимосвязанных задач, позволяющая существенно сократить размерность исходной задачи.

Разработаны модифицированные методы вектора спада для решения задач синтеза структурного резерва, позволяющие получать локально-оптимальные решения в условиях жестко фиксированного временного интервала, что дает возможность использовать результаты исследования для динамической реконфигурации в ЛВС.

На основе анализа рассмотренных задач синтеза виртуально-восстановительного резерва, выраженного в виде системы утверждений и следствий, предложены эффективные методы их решения, основанные на схеме «ветвей и границ» и существенно снижающие размерности задач с конкретными исходными данными.

Проведенный машинный эксперимент позволил оценить эффективность разработанных алгоритмов, провести их сравнительный анализ и выработать рекомендации по их применению для решения задач синтеза структурного резерва ПО и, НО АИС, функционирующих на базе ЛВС.

Рассмотренные примеры проектирования структурного резерва показали работоспособность разработанных моделей и методов. При двухузловой ЛВС и наиболее жестком отношении параметров каналов связи и технических средств обработки информации применение.

110 структурно-технологического резерва повысило надежность выполнения комплекса программных модулей на 23%. Применение ВВР позволило сократить время реакции системы на 18% при увеличении допустимого относительного времени корректировки ИЭ на 30%.

Использование структурно-технологического резервирования ПО и ИО целесообразно для АИС, функционирующих на базе ЛВС и критичных одновременно к оперативности обработки данных и их сохранности. Реконфигурация системы на основе разработанных моделей и методов структурно-технологического резервирования ПО и ИО АИС, функционирующих на базе ЛВС, позволяет повысить живучесть систем данного класса. Причем реконфигурация системы возможна в реальном масштабе времени за счет применения разработанных модифицированных алгоритмов на основе вектора спада.

Использование виртуально-восстановительного резервирования данных целесообразно для систем, критичных к оперативности обработки данных (систем реального времени), которые используются, например, в качестве организационно-технической формы управления в чрезвычайных ситуациях. При этом возможно уменьшение времени реакции системы в несколько раз за счет приемлемого ухудшения качества информационных массивов.

Таким образом, поставленная цель диссертационной работыповышение надежностных и временных характеристик функционирования ПО и ИО АИС, построенных на базе ЛВС достигнута.