Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Севастопольський національний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Спеціальність 05.13.06 - Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Автоматизоване управління інформаційною взаємодією у розподілених технічних системах на основі специфікованих протокольних автоматів

Апраксін Юрій Костянтинович

Севастополь 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі кібернетики і обчислювальної техніки Севастопольського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Скатков Олександр Володимирович, завідувач кафедри кібернетики і обчислювальної техніки СевНТУ.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Литвинов Віталій Васильович, завідувач відділу “інтегровані автоматизовані системи спеціального призначення” Інституту проблем математичних машин і систем НАН України, м. Київ

доктор технічних наук, професор, заслужений винахідник України Харченко В'ячеслав Сергійович, завідувач кафедри комп'ютерних систем та мереж Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, м. Харьків

доктор технічних наук, професор Цуканов Олександр Вікторович, завідувач кафедри менеджменту і економіко-математичних методів Севастопольского національного технічного університету

Провідна установа: Одеській національний політехнічний університет Міністерства освти і науки України, кафедра комп'ютерних інтелектуальних систем та мереж

Захист відбудеться 30.06.2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д50.052.02 при Севастопольському національному технічному університеті за адресою: 99053, м. Севастополь, Стрілецька балка, Студмістечко, корпус СевНТУ.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці СевНТУ.

Автореферат розісланий 28.05.2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. В.О. Крамарь

1. Загальна характеристика роботи

автоматизоване управління протокольний

Актуальність теми. Особливістю розвитку сучасної техніки і інформаційних технологій є взаємообумовлене інтенсивне ускладнення як технічних систем, так і вирішуваних ними задач. Згадані системи в загальному випадку являють собою складні штучні об'єкти, що містять велику кількість інформаційно взаємопов'язаних територіально розподілених різнорідних елементів, найважливішим призначенням яких є передача інформації між їх клієнтами. Тенденція зростання кількості розподілених технічних систем (РТС), що спостерігається в останні два десятиріччя, незаперечно свідчить про все більш глибоке проникнення цих систем в життєдіяльність абсолютної більшості організацій та підприємств різного призначення.

Унікальність РТС, динамічність їх структури, нестаціонарність поведінки, слабка формалізуємість мети існування та функціонування роблять застосування у відношенні до них традиційних методів управління мало ефективним. РТС, як об'єкт управління, настільки складна, що її поведінка практично не може бути описана класичними математичними залежностями. Відсутність формального опису, в свою чергу, не дозволяє сформулювати критерій управління, що перешкоджає розробці якісних процедур управління і системи управління загалом. У той же час практика використання РТС ставить перед проектувальниками подібних систем суперечливі задачі: збільшення кількості і якості послуг, що надаються, продуктивності і пропускної спроможності системи, поліпшення показників надійності і живучості. Крім того, РТС схильні до широкого спектра параметричних і зовнішніх впливів, що змінюють не тільки технічний стан системи, але і її структуру. Перераховані проблеми обґрунтовують необхідність створення ефективних методів і способів управління динамічними характеристиками і станом РТС різної складності в умовах неповної визначеності.

Одним з основних напрямів досліджень, що вирішують поставлені практикою задачі, є розробка загальних методологічних принципів до удосконалення систем управління РТС на основі ієрархічної протокольної системи організації взаємодії її об'єктів. Головну проблему цього напряму досліджень можна сформулювати як створення досить універсальної практично прийнятної формальної моделі системи протокольної взаємодії, що забезпечує автоматизацію процедур аналізу і синтезу протоколів об'єктів системи. Використання формальних моделей дозволяє, по-перше, зводити до мінімуму помилки проектування, по-друге, досягати практично прийнятних рішень з мінімальними витратами і, нарешті, по-третє, організовувати автоматичні процедури верифікації протоколів, що визначають їх логічну коректність. Останнє особливо важливе, оскільки тільки логічно коректні протоколи спроможні виконувати свої управлінські функції у всій області визначення.

Проблемам моделювання, аналізу і синтезу протоколів управління інформаційним обміном в РТС різного призначення присвячено велику кількість наукових статей і монографій. Серед них потрібно відмітити роботи І.О. Мізіна, О.П. Кулешова, В.Г. Лазарєва, В.І. Варшавського, Е.О. Якубайтіса, І.В.Прангішвілі, Г.І. Пранявічуса, С.С. Зайцева, Д. Мартіна, М. Шварца, А. Таненбаума, Р.Галлагера, К. Саншайна, Г. Бохмана, П. Зафіропуло, Г. Хольцмана і інші.

Концептуальною основою побудови систем управління РТС послужила розроблена Міжнародною організацією по стандартизації і Міжнародним інститутом телекомунікацій еталонна модель взаємодії відкритих систем, яка являє собою модель рівневої організації системи протоколів, що здійснюють управління інформаційним обміном. Суть такої організації полягає у “вертикальній” декомпозиції складних функцій управління по рівнях і “горизонтальному” розподілі виділених підфункцій рівня по різних частинах розподіленої системи. Однак, при фіксованому числі рівнів моделі, що використовується, кількісний склад системи протоколів реальних РТС весь час росте. Процес цей закономірний. Кожна корпоративна система, що знову проектується, повинна відрізнятися від вже існуючих або спрощеною процедурою доступу в систему, або більш могутньою безліччю послуг, що надаються користувачеві, або більшою продуктивністю. Зростаюча потреба в подібних розподілених системах, а, отже, і в нових протоколах управління цими системами, висуває додаткові вимоги, пов'язані із скороченням термінів розробки, підвищенням ефективності і надійності їх функціонування.

На озброєнні проектувальників дискретних інформаційних і керуючих систем, якими є РТС, є ряд моделей, що дозволяють описати динаміку функціонування об'єктів цих систем з урахуванням можливого паралелізму і асинхронності їх взаємодії (мережі Петрі, асинхронні процеси, паралельні асинхронні блок-схеми, кінцеві автомати). Кожна з перерахованих моделей володіє безліччю достоїнств, але і рядом недоліків. Найголовнішим недоліком є превалювання рівня абстракції цих моделей над рівнями адекватності, описової потужності і аналізуємості. Виявлений недолік моделей істотно утруднює як процес первинної специфікації протоколу за допомогою моделі (ідентифікація об'єкта управління), так і реалізацію протокольної моделі в середовище функціонування. Ця обставина визначила необхідність розробки єдиного методологічного підходу до побудови автоматизованих систем управління (АСУ) РТС, який враховує динаміку життєвого циклу цих систем. Актуальність розв'язання сформульованої проблеми для народного господарства обумовила вибір напряму і цілі даної дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрям досліджень, проведених автором дисертації, був визначений тематикою держбюджетних і госпдоговірних робіт, виконаних на кафедрі кібернетики та обчислювальної техніки Севастопольського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України: “Розробка системи імітаційного моделювання для проектування алгоритмів організації передачі інформації в обчислювальних мережах”, держ.рег. № 01830042472 (виконавець), виконувалася відповідно до Координаційного плану АСОІ МВССО УРСР у 1981-1985 роках; “Створення методів підвищення архітектурної і програмної надійності і живучості активних мереж ЕОМ”, держ.рег. № 0182703742 (виконавець), виконувалася у 1982-1985 роках за Постановою Президії АН УРСР; “Алгоритми та протоколи адаптивного управління на мережах службового зв'язку. Автоматизація проектування протоколів”, держ.рег. № 01860098050 (відповідальний виконавець), виконувалася у 1986-1988 роках відповідно до планів Міністерства промисловості засобів зв'язку СРСР; “Алгоритми вимірювань та діагностика протоколів на мережах службового зв'язку”, держ. рег. №01890004045 (науковий керівник теми), виконувалася у 1988 році з підприємством п/с А-3650 Міністерства промисловості засобів зв'язку СРСР; “Алгоритми підвищення надійності і ефективності функціонування мереж службового зв'язку”, держ. рег. № 01890048350 (науковий керівник теми), виконувалася у 1989-1990 роках з підприємством п/с А-3650 МПЗЗ СРСР; “Розвиток та впровадження мережевих комп'ютерних технологій з метою вдосконалення управління та організації учбового процесу в СевНТУ”, держ. рег. № 0100U001575 (виконавець), виконується відповідно до програми Міністерства освіти і науки України з 2000 по 2004 роки.

Мета і задачі досліджень. Метою досліджень є розробка загальної концепції використання протоколів управління інформаційним обміном для організації ефективного управління взаємодією об'єктів в територіально розподілених технічних системах, що динамічно розвиваються; методології математичного, алгоритмічного та програмного забезпечення для задач аналізу і синтезу протоколів; методів, засобів та алгоритмів організації процедур специфікації, логічного проектування, декомпозиції, верифікації та реалізації протоколів в середовище функціонування.

Для досягнення мети дослідження в роботі були вирішені наступні задачі:

- проаналізовано особливості організації управлення інформаційною взаємодією об'єктів в складних територіально розподілених автоматизованих системах переробки інформації та управління, інформаційні технології та інструментальних засобів, що використовуються;

- розроблено математичні моделі систем протокольної взаємодії об'єктів РТС, що забезпечує підвищення ефективності автоматизованого оперативного управління РТС;

- на основі розроблених моделей запропоновано інформаційну технологію аналізу та проектування протокольних автоматів, які складають основу системи управління протокольною взаємодією у РТС;

- розроблено мову первинної специфікації систем протокольної взаємодії, що має достатній ступінь абстракції та виразні властивості природної мови;

- розроблено методи проектування протокольних автоматів мінімальної складності, що враховують можливу їх адаптацію до мінливих умов функціонування РТС;

- розроблено методи і алгоритми поетапної верифікації систем протокольної взаємодії, які дозволяють виявляти некоректності функціонування системи на ранніх етапах проектування;

- розроблено аналітичну модель мережі інформаційного обміну, яка використовується для визначення усереднених часових характеристик функціонування РТС під управлінням протоколів, що досліджуються;

- розроблено систему моделювання сумісної поведінки протокольних автоматів, що використається як інструментальні засоби для виконання тестування та діагностики РТС;

- розроблено інструментальні засоби автоматизації проектування протоколів РТС, які дозволяють утворювати ефективні системи автоматизованого управління інформаційною взаємодією РТС, які реалізують різні стратегії управління.

Об'єктом досліджень є протокольні системи управління інформаційною взаємодією в РТС. Предмет дослідження - автоматні моделі, їх додаток до різних задач ідентифікації, аналізу і синтезу протоколів РТС.

Методи досліджень. У роботі використовувався комплексний підхід, що включає як теоретичні, так і експериментальні дослідження. Теоретичні дослідження проводилися із застосуванням методів теорії кінцевих автоматів, регулярних подій, графів та формальних мов. Близькість цих методів і їх взаємодоповненість дозволила розробити загальні теоретичні основи, придатні для специфікації протокольних систем інформаційної взаємодії у вигляді багатоступеневої моделі, кожний рівень якої найбільш ефективно використати для реалізації конкретного додатку. Методологічні принципи, що пропонуються, забезпечують побудову системи управління, закон управління, що реалізується який не формулюється апріорі, а є результатом аналізу об'єкта управління - протокольного автомата.

Експериментальні дослідження були пов'язані з моделюванням на ЕОМ розроблених алгоритмів ідентифікації, аналізу та синтезу протоколів управління інформаційним обміном в РТС. Комп'ютерне моделювання проводилося в середовищі Borland С++.

Наукова новизна отриманих результатів визначається наступними основними положеннями:

- вперше на основі єдиного методологічного підходу розроблено інформаційну технологію побудови АСУ РТС, яка враховує динаміку її розвитку (от формування первинної специфікації, проектування та верифікації до реалізації у конкретне середовище функціонування, тестування і модернізації в процесі експлуатації). Технологія об'єднує модель системи управління, методи та моделі процесів проектування АСУ РТС ;

- отримала подальший розвиток концепція організації децентралізованого управління в РТС, орієнтоване на використання ієрархічної багаторівневої системи альтернативних процедур обміну службовою інформацією і прийняття управлінських рішень;

- вперше сформульовано новий принцип протокольного управління, який забезпечує можливість вибору альтернативних стратегій при прийнятті управлінських рішень;

- вперше розроблено багаторівневу ієрархічну кінцево-автоматну модель системи протокольної взаємодії (СПВ) і методологія її застосування;

- запропоновано принципово новий метод побудови первинних специфікацій СПВ, що формалізуються, володіючи перевагами словесно-описових засобів (мова таблиць протокольних подій);

- на основі апарату теорії регулярних подій вперше розроблено інструментальні засоби специфікації протоколів та їх проектування;

- вперше розроблено і досліджено методологію поетапної верифікації протоколів (аналіз таблиць подій, аналіз протокольних виразів, аналіз таблиць переходів протокольних автоматів), що дозволяє виявляти некоректність протоколів на самих ранніх етапах проектування при мінімальних витратах;

- розроблено принципово новий метод декомпозиції протокольних автоматів, орієнтованих на формування впорядкованих множин конструктивно-правильних розбиттів. Використання методу дозволяє вирішити проблему розмірності для автоматної моделі. Рішення про коректність протоколу загалом приймається на основі аналізу підпротоколів мінімальної складності;

- запропоновано універсальний метод аналізу систем протокольної взаємодії, заснований на використанні апарату теорії матриць, який зводиться до рішення матричного рівняння, що характеризує динаміку процесів взаємодії протокольних об'єктів, і дозволяє отримувати канонізовані форми специфікації СПВ;

- розроблено аналітичну модель комунікаційної мережі, яка відрізняється від відомих тим, що з її допомогою можна оцінити протоколи маршрутизації повідомлень в РТС по одному параметру (імовірності доставки повідомлення адресату за одну трансляцію) і визначити граничні значення критерію ефективності для всієї множини протоколів, що досліджуються;

- розроблено інформаційне, алгоритмічне і програмне забезпечення автоматизованої системи проектування протоколів, що забезпечує організацію автоматичного перекладу первинної специфікації протоколу у внутрішнє уявлення і далі в початковий текст програми на універсальній мові програмування.

Практичне значення дисертації насамперед визначається тим, що розроблена в ній методологія направлена на створення нових засобів управління РТС, організуючих інформаційний обмін між взаємодіючими об'єктами системи за допомогою специфікованих протокольних автоматів.

Розроблений математичний апарат побудови формальних специфікацій, аналізу і синтезу протокольних автоматів дозволив автоматизувати як процеси проектування, так і верифікації останніх, що істотно як для зменшення термінів проектування, так і для підвищення якості функціонування засобів управління, що проектуються РТС.

Розроблено уніфіковану структуру програмних засобів управління службовими повідомленнями в РТС, яка дозволяє на любому рівні протокольної взаємодії зосередити набір алгоритмів, ефективність застосування яких істотно залежить від обстановки, який забезпечує адаптацію системи до умов функціонування РТС.

Розроблене математичне, алгоритмічне, інформаційне і програмне забезпечення послужило основою створення системи автоматизованого проектування протоколів СА(ПР)2РС, придатною як для проектування нових протоколів, так і для проведення експериментів із вже існуючими (корекція, аналіз, тестування, моделювання) для їх модернізації з метою поліпшення показників якості функціонування. Всі розроблені методи доведені до алгоритмів і комп'ютерних програм.

Основні результати роботи впроваджені при виконанні НДР з Науково-дослідним інститутом систем зв'язку і управління науково-виробничого об'єднання “КВАЗАР” (м. Москва): № 1140 - “Алгоритми і протоколи адаптивного управління на мережах службового зв'язку. Автоматизація проектування протоколів”; № 1210 - “Алгоритми вимірювань і діагностика протоколів на мережах службового зв'язку”;

№ 1238 - “Алгоритми підвищення надійності і ефективності функціонування мереж службового зв'язку”.

Наукові розробки автора з інформаційної технології та інструментальним засобам побудови протокольних систем управління інформаційною взаємодією об'єктів РТС використовувались при науково-технічному співробітництві з науково-дослідницькими центрами ВМС України, зокрема, НДЦ “Державний океанаріум” та “Науковий центр ВМС Збройних сил України” (м. Севастополь).

Матеріали дисертації використовуються: а) при виконанні держбюджетної роботи “Розвиток і впровадження мережених комп'ютерних технологій з метою вдосконалення управління та організації учбового процесу в СевНТУ”; б) для розробки методичних комплексів по дисциплінах “Спеціалізована архітектура ЕОМ”, “Прикладна теорія цифрових автоматів”, “Цифрові ЕОМ”, включених до програми підготовки студентів спеціальності 7.091501 “Комп'ютерні системи і мережі” на кафедрі кібернетики та обчислювальної техніки Севастопольського національного технічного університету.

Особистий внесок здобувача. Всі основні теоретичні результати отримані здобувачем самостійно. У співавторстві виконано роботи прикладного плану. Участь співавторів насамперед пов'язана з пошуком об'єктів застосування запропонованих теоретичних рішень, розробкою комп'ютерних програм і проведенням комп'ютерних експериментів. Міра участі претендента в роботах з співавторами визначається таким чином. У [4,24] претендентом запропоновано і розроблено концепцію побудови програмного забезпечення РТС, організуючого обмін інформацією між кінцевими об'єктами системи; вимоги до мови специфікації протоколів управління інформаційним обміном; у [11,12] - постановка задачі, метод рішення матричних рівнянь з лінгвістичними елементами; у [9,25] - формальна модель протоколу з тестовими станами, що забезпечують організацію контрольних вимірів параметрів функціонування РТС внутрішніми засобами протоколу; у [7] - математичне і програмне забезпечення алгоритмів маршрутизації повідомлень в РТС по мінімальній кількості параметрів, що характеризують систему і її елементи; у [10] - модель протоколу релейного управління інформаційним обміном в промислових мережах передачі даних; у [5] - формулювання екстремальних задач надійністного проектування дискретних систем з вираженою ієрархічною структурною організацією і алгоритми їх рішення; у [16,22] - математичне, інформаційне, алгоритмічне і методичне забезпечення системи автоматизованого проектування протоколів управління інформаційним обміном в РТС.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на всесоюзних науково-технічних конференціях: “Дослідження і проектування систем зв'язку” (м. Москва, 1980 р.), “Шляхи підвищення ефективності використання обчислювальної техніки” (м. Таллін, 1989 р.), III науково-технічній конференції “Проблеми, методи і досвід створення автоматизованих систем управління зв'язком” (м. Москва, 1990 р.), “Локальні мережі ЕОМ для автоматизації наукових досліджень і управління виробництвом” (м. Севастополь, 1990 р.), міжнародних науково-практичних конференціях ІНФОТЕХ-99, ІНФОТЕХ-2000 і ІНФОТЕХ-2002 (м. Севастополь, 1999, 2000, 2002 р.р.), на 10-й міжнародної конференції по автоматичному управлінню “Автоматика-2003” (м. Севастополь, 2003 р.), на регіональному семінарі “Технічне і програмне забезпечення ЕОМ, систем і мереж” секції наукової ради НАН України з проблеми “Кібернетика” при Південному науковому центрі (м. Севастополь, 1991 - 2002 р. р.), на постійно діючому науковому семінарі кафедри кібернетики і обчислювальної техніки Севастопольського національного технічного університету (м. Севастополь, 1999-2003 р. р.), на міжгалузевому науково-технічному семінарі “Критичні комп'ютерні технологи і системи”(м. Харків, 2004 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 2 монографії, рекомендовані Міністерством освіти і науки України як учбові посібники для студентів вищих учбових закладів, 2 брошури, 20 статей в періодичних наукових журналах і збірниках наукових праць, 1 стаття, депонована у Всесоюзному інституті наукової і технічної інформації, 6 доповідей та тез доповідей на наукових конференціях.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновку, списку джерел, що використовуються, з 169 найменувань та додатків. Загальний обсяг роботи складає 328 сторінок, включаючи 308 сторінок основного тексту.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено наукову новизну і практичну значущість роботи, приведені основні результати і короткий зміст дисертаційної роботи по розділах.

У першому розділі дисертації розглядаються основні принципи організації РТС, виділяються задачі, пов'язані з управлінням цими системами і, насамперед, організацією інформаційного обміну. Визначається місце “протоколу” в апаратно-програмному забезпеченні РТС і його специфіка як об'єкта загальної системи управління та проектування. Формулюються основні задачі, що підлягають рішенню в рамках дисертаційної роботи.

Взагалі РТС будь-якого призначення являє собою структуру, компонентами якої є: а) кінцева множина абонентів (клієнтів) системи; б) кінцева множина серверів (обслуговуючих пристроїв) системи; в) мережа інформаційного обміну (МІО), що забезпечує зв'язок між територіально розподіленими і .

Основне призначення РТС - це надання абонентам послуг, здійснюваних серверами. Кожний абонент , посилаючи спеціальні директиви (запити), може зажадати ту або іншу послугу (сервіс), що надається тим або іншим сервером . Отримавши запит, сервер його відпрацьовує і формує “відповідь”, адресуючи його відповідному абоненту. МІО, маючи в своєму розпорядженні спеціальну багато кільцеву систему комунікації, здійснює взаємозв'язок між абонентами і серверами шляхом організації процедур обміну інформацією (запити, відповіді) всередині своєї структури. Процес управління взаємодією типу - МІО - - звичайно характеризується як управління інформаційним обміном між і . Управління інформаційним обміном між і . (електронна пошта) або і (перерозподіл інформаційних ресурсів системи) також здійснюється через МІО, що являє собою множину вузлів комутації (ВК), сполучених фізичними каналами в єдину мережу.

Принцип, покладений в основу функціонування МІО, відомий під загальною назвою “принцип передачі з проміжним накопиченім”. Реалізація принципу передачі з проміжним накопиченім передбачає використання так званого розподіленого управління мережею, при якому, по-перше, кожний об'єкт РТС може мати самостійний погляд на стан системи, по-друге, поточний (реальний) стан системи і її уявлення об'єктом може істотно розійтися, по-третє, кожний об'єкт системи ухвалює управлінське рішення на основі або власної інформації, або інформації, переданій йому іншими об'єктами, у четверте, взаємозв'язок між об'єктами здійснюється через передачу повідомлень у розподіленому комунікаційному середовищі і, нарешті, у п'ятих, загальносистемне управління РТС проводиться таким чином, щоб забезпечити динамічну міжпроцесну взаємодію з мінімальним часом реалізації.

Аналіз архітектурних принципів побудови РТС показав, що розглядати ці системи можна, спираючись на три групи характеристик. По-перше, це група фізичних характеристик, що визначає всі реальні об'єкти, включені в систему, і можливі фізичні зв'язки між цими об'єктами. По-друге, - це характеристики, що специфікують логічно пов'язані об'єкти (процеси) і всі можливі взаємодії між цими процесами. По-третє, характеристики рівневої протокольної організації.

З іншого боку, подібні системи відносять до класу складних систем. У якості основних характеристик таких систем виділяють: функціональну цілісність, паралельність роботи елементів, змінність структури, багатофункціональність елементів і ряд інших, що стосуються ефективності функціонування системи. Система має функціональну цілісність, якщо багато узгоджені дії її елементів забезпечують ефективне функціонування системи як єдиного цілого (ефективне обслуговування абонентів). Найбільш важливу роль при цьому відіграють способи організації взаємодії між елементами системи. Багатофункціональність елементів системи передбачає велике число елементів і зв'язків між ними, множинність функцій, що реалізуються цими елементами. Звідси також витікає потреба в ефективному обміні інформацією між елементами системи. Змінність структури характеризує можливість додання і вилучення елементів в системі, зміну зв'язків між ними, зміну внутрішньої структури елементів. Забезпечення останньої властивості можливе тільки при організації стандартизованих процедур обміну інформацією між об'єктами РТС будь-якої структури.

У загальному випадку показник якості РТС - це вектор K(T)=(K1(T),K2(T),…), компонентами якого служать ізольовані показники якості, такі як продуктивність, пропускна спроможність, середній час доставки повідомлення адресату і ряд інших. Кожний такий показник характеризується функцією від трьох основних параметрів

Перший параметр визначає сумарний потік між всіма парами взаємодіючих об'єктів системи за фіксований час.

Другий параметр характеризує стан мережі інформаційного обміну ( - надійність зв'язку між об'єктами i і j системи по шляху р на заданому проміжку часу).

Третій параметр є функція управління, що забезпечує наближення показника якості до заданої норми .

Загальна постановка задачі оптимального управління взаємодією об'єктів в РТС як задачі багатокритеріальної оптимізації має право на існування (наприклад, метод зведення чи мінімаксній метод), але практично прийнятних методів її рішення поки не існує. Тому під управлінням взаємодією об'єктів в РТС будемо розуміти процес організації ефективного з точки зору вибраного показника якості функціонування системи.

Математична постановка розглянутої окремої задачі як задачі оптимізаційного плану, вимагає введення ряду істотних обмежень. Наприклад, якщо передача інформації здійснюється з використанням механізму комутації пакетів, то звичайно передбачають, що розмір пакету фіксований, всі пакети одноадресні і одного пріоритету. Розглядаючи структуру РТС, передбачають, що джерелом затримки пакетів при їх передачі по МІО є тільки канали, що забезпечують зв'язок між сусідніми об'єктами мережі; зв'язок між будь-якою парою об'єктів мережі здійснюється по найкоротших шляхам, яки не перетинаються. Отримані з використанням подібних аналітичних моделей рішення, по-перше, не є оптимальними, оскільки багатьох особливостей організації РТС вони не враховують. Це і затримки пакетів при транзитних передачах, і можливість використання обхідних маршрутів, і різноманіття способів прийняття рішення про напрям транзитної передачі пакетів, і необхідність в поширенні, зборі і обробці керуючої інформації, і облік нестандартних ситуацій функціонування РТС. По-друге, ці моделі не дають конкретних рекомендацій по організації механізму прийняття управлінських рішень.

З вище викладеного виходить, що найбільш ефективне управління РТС можна досягнути, розробивши бібліотеку евристичних процедур організації обміну службовою інформацією і прийняття управлінських рішень на основі аналізу цієї інформації. Іншими словами U(Т) реалізовується сукупністю алгоритмів, що забезпечують підтримку показника якості Ki функціонування РТС у встановлених межах. При цьому є виділена множина алгоритмів, ( параметри алгоритму ) реалізація яких мінімізує тобто забезпечує найбільше наближення до . Взаємопов'язана система алгоритмів представляється графовою моделлю , де U і D множини дуг, що визначають залежність алгоритмів по управлінню і за даними відповідно.

Кожний клас алгоритмів управління включає три основні підкласи: управління інформаційним обміном, управління навантаженням і управління структурою. Перший підклас представляє необхідну і достатню множину алгоритмів управління інформаційним обміном між об'єктами РТС, що забезпечують необхідну якість функціонування системи при постійному навантаженні і відсутності відмов елементів системи. Множина алгоритмів управління навантаженням покликана забезпечити необхідну якість функціонування РТС при нестаціонарності навантаження, що пред'являється до обслуговування. Управління структурою розподіленої системи передбачає перетворення структури (пошкодженої або переобтяженої), що не забезпечує заданих вимог до якості обслуговування, до деякої іншої структури системи, що задовольняє цим вимогам. У разі яких-небудь пошкоджень в системі перетворення структури зводиться до організації ремонтних і відновних робіт. Якщо пошкоджень в системі немає, а система все-таки не справляється з навантаженням, що зросло, то: або структуру збагачують резервними елементами (активізують резервні комплекси канального, комунікаційного, абонентського або обробляючого обладнання, що є ), або обмежують вхідний потік повідомлень до деякого допустимого по заданому критерію рівня. Перший підхід, природно, може бути застосований при управлінні стратегічно важливими системами, другий - при управлінні розподіленими системами із загальним доступом.

Реалізувати таку складну систему управління можливо лише на основі принципу ієрархічної багаторівневої організації. Згідно з цим принципом, всі функції управління взаємодією процесів користувачів системи розподілені за рівнями. Кожний рівень надає для використання наступному більш високому в ієрархії рівню певний сервіс (набір результатів реалізації функцій рівня). Для реалізації своїх функцій кожний рівень використовує сервіс більш низького в ієрархії рівня. Рівні організуються таким чином, щоб забезпечувалася функціональна незалежність кожного рівня і прозорість нижніх рівнів в ієрархії по відношенню до даних, що поступають з вищого по відношенню до них рівня. Шляхом розподілу функцій, що реалізуються на кожному рівні, а також вибору кордонів між ними, досягається логічна незалежність рівнів. Функції по рівнях розподіляються так, щоб будь-які зміни технології реалізації функцій рівня ніяк не позначалися на інших рівнях.

Для РТС різного призначення в структурному плані характерне виділення прикладного рівня і мінімум чотирьох ієрархічно підлеглих рівнів організації управління: рівень управління взаємодією процесів користувачів (вищий рівень ієрархії); рівень управління передачею повідомлень; рівень управління інформаційними потоками та рівень управління інформаційними і фізичними каналами (нижній рівень ієрархії). На рівні синтаксичного опису РТС може бути представлена множиною прикладних процесів {ПП} і множиною процесів управління{ПУ}, розподілених по рівнях системи управління. Тут під процесом розуміється опис поведінки якого-небудь об'єкта РТС в термінах обмеженого набору подій. Прикладні процеси активізують запити користувачів РТС. Процеси управління, в свою чергу, покликані реалізовувати функції управління, покладені на кожний конкретний рівень загальної системи управління РТС.

Аналіз функцій, включених в кожну ієрархічну групу, показує, що для їх реалізації необхідно мати, по-перше, узгоджені правила взаємодії кореспондуючих процесів користувачів і управління (протоколи управління інформаційним обміном) і, по-друге, механізми передачі даних, запитів і послуг між сусідніми в ієрархічному значенні рівнями (інтерфейс межрівневого обміну).

Процес управління рівня, реалізовуючи функції рівня, виробляє сервіс (сукупність послуг) рівня. ПУ реалізує функції рівня тільки завдяки взаємодії з протоколом управління інформаційним обміном. Тому можна вважати, що реалізацію функцій управління РТС забезпечують протоколи системи управління. Множина процесів користувачів і процесів управління об'єднуються множиною протоколів і утворюють розподілену децентралізовану систему управління, що забезпечує нормальне функціонування РТС. Значить, система управління РТС повинна розроблятися як ієрархічна багаторівнева система альтернативних процедур, кожна з яких забезпечує реалізацію того або іншого ПУ (сукупності функцій управління), або інформаційний обмін даними між ПУ. Взаємозв'язок між ПУ і протоколами інформаційного обміну настільки тісна, що об'єднана структура “ПУ - протокол” отримала загальну назву “протокол управління інформаційною взаємодією”.

Аналіз навіть основних функцій, що реалізовуються цими протоколами, показує, що кожний протокол являє собою складну систему, що реалізовує цілий ряд функцій. Загальносистемною (головною) функцією усіх протоколів є функція управління потоками даних між зовнішніми об'єктами МІО. У дисертації показано, що стратегія проектування цих протоколів повинна спиратися на аналіз можливих інформаційних потоків, циркулюючих в МІО, виділенні основних компонент потоків інформації і формуванні функціональних модулів (підпротоколів), що здійснюють необхідне управління потоками даних.

Використання модульності і вертикального принципу управління в організації обслуговування інформаційних потоків дозволяє говорити про ієрархічну ситуаційну структуру системи розподіленого управління.

Аналіз протокольної системи взаємодії кожного рівня як об'єкта управління (ОУ) показує, що найбільш адекватною дійсності є модель ситуаційного управління. Для цієї моделі процес управління представляється послідовністю актів управління. Кожний наступний акт управління ініціюється зміною ситуації на ОУ. Закон функціонування ОУ визначається його моделлю. Недолік відомостей про функціонування ОУ компенсується навчальністю моделі. Навчальність моделі, в свою чергу, передбачає, що закон функціонування може зазнавати зміни в процесі функціонування ОУ. В узагальненій схемі системи управління (СУ) (мал. 1), придатної для реалізації моделі управління, що розглядається, як ОУ, так і пристрій управління (ПУ) являють собою системи з пам'яттю, змінюючи свої стани під впливом вхідних сигналів. Для ОУ це і входи, що контролюються (F), і неконтрольовані входи (W), керуючі впливи (U). Для ПУ це повідомлення (Q) від ОУ. Блок 1 СУ аналізує повідомлення, що прийшло від ОУ. Другий блок класифікує ситуацію на ОУ. Блок 3 здійснює пошук і реалізацію часткового алгоритму управління . Пошук алгоритму здійснюється на основі інформації про поточну ситуацію на ОУ і вибраному критерії управління і його нормі. Блок 4 формує керуючі впливи на ОУ, що приводять до зміни стани ОУ.

Показником ефективності такої системи управління потрібно вважати величину, , де - міра розузгодження поточного стану ОУ зі станом, що прогнозується УУ. - визначається вартістю необхідних коштів вимірювання, контролю, збору, доставки, зберігання і обробки додаткової інформації, необхідної для реалізації функцій управління за час (0, t).

Мал. 1 Система управління, що реалізує функції протокольного рівня

У завершенні першого розділу робиться висновок про необхідність розробки формальної моделі протоколу, яка повинна володіти наступними характеристиками: придатність для специфікації протоколів широкого призначення; повнота і несуперечність; модифікованість; абстрактність; верифіцируємість; автоматизованість процесу проектування і реалізації; зручність при читанні; документованість.

Предметом розгляду другого розділу дисертації є теоретичні питання побудови формальної моделі специфікації протоколів управління розподіленими технічними системами. Взявши за основу вимоги, що пред'являються до формальних моделей протоколів, і виділивши ряд основних критеріїв порівняння методів опису протоколів (описова потужність, рівень абстракції опису, можливість аналізу опису і його застосування для реалізації в РТС), показується, що найбільш прийнятною моделлю є кінцевий автомат (КА).

Оскільки будь-який абстрактний КА насамперед визначається як пристрій по перетворенню вхідних послідовностей у вихідні, то природною представляється специфікація протоколу множиною послідовностей елементарних подій, під якими мастися розуміється сукупність властивостей і дій об'єктів РТС. Передбачається, що конкретна подія в житті об'єкту відбувається вмить, тобто є елементарною дією, що не має протяжності у часі. Протягова дія, тобто що вимагає часу, розглядається як пара подій, перше з яких відмічає початок дії, а друге - його завершення. У випадку, коли сумісність подій істотна, вони зводяться в одне. У той же час, якщо для складних подій послідовність дій, що виконуються неістотна, в моделі вони можуть бути представлені послідовністю підподій, що відбуваються в будь-якому відносно один одного порядку.

Найбільш адекватно своїй природі модель протоколу управління інформаційним обміном може бути представлена ініціальним детермінованим автоматом Рабіна-Скотта де S - множина кінцевих множин станів взаємодіючих процесів; S0 і Sk - відповідно множина початкових і кінцевих станів цих процесів; М - кінцева множина протокольних примітивів (повідомлень, які можуть бути використані при інформаційному обміні); Е - кінцева множина елементарних подій і :SxES - функція переходів системи.

Узагальнений (глобальний) стан СПВ визначається як пара де C - глобальний стан каналів передаючого середовища. Розглядаючи глобальний стан як вектор локальних станів взаємодіючих процесів,

як матрицю локальних станів передаючого середовища;

як матрицю елементарних подій, пов'язаних з посилкою/прийомом повідомлення mk або якою-небудь внутрішньою дією, взаємозв'язок виділених локальних станів для двох процесів Pi і Pj визначається як:

(посилка mk від Pi до Pj);

(прийом Pj повідомлення mk від Pi);

(внутрішні дії, не пов'язані з обміном інформацією).

Кожний процес характеризує поведінку одного із взаємодіючих об'єктів РТС (протокольних об'єктів). Опис будь-якого процесу (Р) в нашій інтерпретації - це представлення множини послідовностей елементарних подій. Кожній такій послідовності відповідає конкретний вияв процесу від його виникнення до завершення. Для уявлення всієї сукупності конкретних виявів процесу (а вона далеко не завжди кінцева) пропонується залучити апарат алгебри регулярних подій. Це замкнена відносно операцій об'єднання, конкатенації і ітерації абстрактна алгебра. Визначивши породжуючу множину алгебри як множину елементарних подій а () - як символи, що служать для опису будь-якого елемента алгебри, ( - позначення операцій об'єднання, конкатенації і ітерації, - відповідно пуста множина і множина з єдиним пустим елементом), можна будь-яку множину послідовностей елементарних подій (протокольна подія) представити в лінгвістичній формі, а саме, засобами мови регулярних виразів (МРВ). Використання МРВ дозволяє, по-перше, отримувати досить компактні описи, вільні від переліку станів процесу, і, по-друге, організувати автоматичне проведення процедур як логічного проектування, так і встановлення логічної коректності моделі протоколів, що використовується.

Функціонування протоколу для моделі, що розглядається, визначається як перервна-подійна послідовність. Істинність деякого набору умов призводить до настання тієї або іншої події, яка наказує процесу протокольного рівня виконати певні дії. Результат виконання дій, в свою чергу, є однією з умов настання наступної події. Кожна така подія визначається як елементарна і позначається буквою в алфавіті Z:

,

де - набір умов настання елементарної події ;

- послідовність дій, передбачених протокольним процесом у разі настання .

Для того, щоб модель протоколу, що використовується, була придатна для сприйняття послідовностей елементарних подій, представлених літерами з щойно приведеною структурою, пропонується наступна інтерпретація поняття КА. Кожному внутрішньому стану зіставляється процедура, що реалізовує . Функції переходів і виходів визначаються не на множині станів КА, а на множині зіставлених кожному стану процедур. Літера вхідного алфавіту це код, що характеризує логічну істинність умов, що перевіряються

,

де ; ( ) - елементарна умова настання події .

Розширену таким чином модель КА пропонується називати протокольним автоматом (ПА). Перейшовши на новий вхідний алфавіт і алфавіт станів, по-новому визначивши функції переходів і виходів, ми все ж не відійшли від загального визначення КА. Отже, всі методи аналізу і синтезу КА можна застосовувати і до ПА. Іншими словами, кожний етап технологічного циклу проектування протоколів може спиратися на формальні процедури аналізу і синтезу КА.

Сформована засобами МРВ протокольна специфікація зазнає аналітичної перевірки на повноту і несуперечність. Результат етапу логічного проектування (таблиці переходів/виходів ПА) використовується для перевірки логічної коректності протоколу. Процедура перевірки здійснюється шляхом перегляду всіх досяжних з початкового стану глобальних станів системи взаємодіючих протокольних автоматів. У разі взаємодії двох об'єктів ПАi і ПАj це , де ai і aj - стани відповідних автоматів, а cij і cji стани передаючого середовища від ПАi до ПАj і зворотно. Генерація глобальних станів здійснюється відповідно до узагальненої функції переходів і продовжується доти, поки утворяться ще не розглянуті раніше стани. У процесі побудови дерева досяжних глобальних станів при виконанні кожного акту генерації можливе виявлення різних протокольних помилок як реальних, так і потенційно можливих. Генерація глобальних станів - процедура, яка легко піддається автоматизації, але, з іншого боку, має тенденцію до лавиноподібного зростання числа глобальних станів при ускладненні структури взаємодіючих ПА.

Рішення задачі скорочення розмірності простору станів зводиться до декомпозиції взаємодіючих ПА, причому декомпозиція ведеться знизу вгору, тобто від окремих станів до повної конфігурації автомата. Запропонований метод побудови конструктивно правильних розбивок ПА реалізується спільно з процедурою верифікації і дозволяє підтвердити логічну коректність протоколу на основі розбивок мінімальної складності.

Доведення абстрактної моделі протоколу до рівня практичного використання на етапі реалізації передбачає конкретне втілення протоколу в те або інше апаратне або програмне середовище. У першому випадку застосовується процедура структурного синтезу автомата, у другому трансляція початкової специфікації ПА на МРВ у синтаксичні конструкції вибраної мови програмування високого рівня.

У третьому розділі розглянуті методи аналізу протокольних систем інформаційної взаємодії, орієнтовані як на модель формальної специфікації (розширений кінцевий автомат), що використовується, так і на певні етапи проектування протоколів, відправною точкою яких є перетворена первинна специфікація.

Мета аналізу визначення логічної коректності протоколів, під якою розуміється виявлення основних властивостей протоколу, які вони повинні мати незалежно від функцій, що виконуються ними. До числа таких властивостей відносяться:

- повнота, яка означає, що в специфікації протоколу передбачений прийом всіх можливих повідомлень;