Размещено на http://www.allbest.ru

Національна академія наук України

Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова

Алішов Надір Ісмаіл-огли

УДК 004.7: 004.724

Теорія, технології й засоби системної взаємодії Ресурсів в інтелектуальних системах

і мережах комп'ютерів

05.13.13 - обчислювальні машини, системи та мережі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, академік НАН України Палагін Олександр Васильович, Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

заслужений діяч науки і техніки України

доктор технічних наук, професор

Зайченко Юрій Петрович,

Інститут прикладного системного аналізу

МОН України та НАН України,

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Різник Олександр Михайлович,

Інститут математичних машин і систем НАН України,

завідувач відділу

Провідна установа: Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра обчислювальної техніки.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Однією із задач інформатизації суспільства є розробка та впровадження засобів і технологій, що забезпечують можливість санкціонованої взаємодії користувачів з необхідними й доступними інформаційними ресурсами в часі і просторі. При цьому істотне значення мають види інформаційних ресурсів, що надаються користувачам. Сучасні мультимедійні інформаційні системи оперують із двійковими даними, текстовими повідомленнями та матеріалами, статичними й динамічними зображеннями, мовною, аудіо- й відеоінформацією, вимірювально-управляючими даними тощо. Таким чином, час, простір і види інформації утворюють багатомірний куб вимог та обмежень, у рамках яких створюються і будуть створюватися системи розподіленої обробки інформації. Виявлення існуючих причиново-наслідкових зв'язків між вимогами й обмеженнями дозволяє реалізувати високоефективні проблемно-орієнтовані системи. У загальному випадку створення технологій і засобів, що забезпечують граничну ефективність системи, залишається проблематичним, оскільки це пов'язано із властивим великим системам ефектом розмірності, який характеризується тим, що за інших рівних умов у системі з великою розмірністю деякі інтегративні показники (час доставки даних, кількість транзитів, тип використовуваного протоколу, види послуг, що надаються, онлайнові властивості тощо) можуть виявити себе як системовизначальні, тоді як у системах з малою розмірністю вони або не проявляються, або мають несуттєве значення. Розширення й масштабування розподіленої системи зумовлює особливі вимоги до її архітектури, засобів і технологій, що в ній використовуються. Тому складність створення систем із граничною ефективністю експоненціально збільшується, що виключає можливість досягнення мети прямими методами. У ряді випадків вирішити проблему можна за рахунок розробки нових технологій, що базуються на використанні внутрішніх ресурсів системовизначальних компонент.

Для розподілених систем і мереж комп'ютерів зазначена проблема має чітко окреслені границі, оскільки існує концепція еталонної моделі взаємодії відкритих систем (ЕМ ВВС). Запропонована Міжнародною організацією зі стандартизації на базі цієї моделі семирівнева архітектура ВВС дозволяє регламентувати базові положення проблеми створення гранично ефективних розподілених інформаційних систем і мереж комп'ютерів.

У загальному випадку рівні такої архітектури можна поділити на дві групи: мереженезалежні (прикладний, рівень представлення, сеансовий, транспортний) і мережезалежні (мережевий, канальний, фізичний). Усі рівні функціонують у рамках розподіленого операційного середовища, організація й технології якого багато в чому визначають ефективність взаємодії відкритих систем. інтегративний комп'ютер системний мережа

Насамперед слід зазначити, що задачі сеансового рівня й рівня представлення в семирівневій моделі можуть бути описані за допомогою логіко-математичних методів, що допускають оптимізацію, а задачі фізичного рівня є предметом інженерних досліджень в області формування та передачі фізичних сигналів, розробки фізичних інтерфейсів, методів модуляції й демодуляції тощо. Таким чином, ефективність розподілених систем і мереж комп'ютерів для обробки інформації багато в чому визначається організацією прикладного, транспортного, мережевого й канального рівнів. Оскільки в подібних системах така обробка значною мірою залежить від можливостей розподіленого операційного середовища, то, безумовно, взаємна адаптація характеристик семирівневої архітектури й розподіленого операційного середовища (РОСр) також істотно впливає на загальну ефективність системи. У цьому сенсі РОСр інкапсулює в собі протоколи, інтерфейси й послуги семирівневої архітектури, які, у свою чергу, висувають жорсткі вимоги до мережезалежних характеристик самої РОСр.

Таким чином, РОСр і рівні взаємодії відкритих систем, які є взаємозалежними та взаємодоповнюючими підсистемами, визначають ефективність розподілених систем і мереж комп'ютерів. Тому підвищення ефективності розподілених систем і мереж комп'ютерів за рахунок використання внутрішніх резервів функціонування канального, мережевого й прикладного рівнів у взаємозв'язку з розподіленим операційним середовищем є актуальною науково-прикладною проблемою, вирішенню якої присвячена ця робота.

У період становлення та розвитку розподілених систем збирання й обробки інформації з'явилося багато робіт стосовно зазначеної проблеми. Значний внесок у її вивченні належить таким вченим, як В.М. Глушков, Р. Ешбі, Л. Берталанфі, Л. Заде, Г.С. Поспєлов, І.В. Прангішвілі, Б.С. Флейшман, Е.А Якубайтіс, Б.С. Цибаков, О.В. Палагін, М.Є. Ільченко, С.С. Зайцев, О.Г. Додонов, Ю.П. Зайченко, Б.С. Гольдштейн, К.Є. Самуйлов, С.Г. Бунін, В.П. Широчин, Е. Таненбаум, В. Столлінгс, Г. Хелд та ін.

Об'єкт і предмет дослідження. Об'єктом дисертаційного дослідження є процес організації системної взаємодії мережевих технологій і апаратно-програмних засобів в інтелектуальних системах і мережах комп'ютерів. Предмет дослідження - це моделі, методи, алгоритми й інструментальні засоби взаємодії розподілених ресурсів на канальному, мережевому та прикладному рівнях, орієнтовані на підвищення ефективності функціонування сучасних інтелектуальних систем і мереж комп'ютерів.

Мета й задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи ? підвищення ефективності функціонування сучасних інтелектуальних систем і мереж комп'ютерів шляхом розробки теоретичних основ, методів та засобів міжрівневої взаємодії розподілених ресурсів.

Відповідно до загальної теорії систем, досягнення поставленої мети обумовлює необхідність комплексного вирішення ряду взаємозалежних класів науково-технічних задач:

· розробка концепції й архітектури високоорганізованих розподілених систем обробки інформації;

· розробка теоретичної бази й розв'язання відповідних прикладних задач щодо оптимізації транспортування даних в інтелектуальних корпоративних системах і мережах комп'ютерів;

· розробка мережезалежних компонентів високоорганізованого операційного середовища управління розподіленими ресурсами для досліджуваного класу систем і мереж комп'ютерів;

· розробка на основі отриманих результатів серії уніфікованих апаратно-програмних технологій і засобів для створення сучасних інтелектуальних систем і мереж комп'ютерів;

· розробка типових проектних рішень щодо системної інтеграції компонентів високоорганізованої розподіленої системи, що забезпечують можливість створення конкретних систем і мереж комп'ютерів з урахуванням сучасних вимог до характеристик взаємодії бізнес-застосувань;

· розробка вітчизняних конкурентоспроможних систем і мереж комп'ютерів, що реалізують отримані науково-прикладні результати.

Дослідження показують, що існуюча на цей час теоретична база є недостатньою для вирішення даної проблеми. Тому було розроблено концепцію створення високоорганізованих систем, у рамках якої отримано нові теоретичні результати, що дозволяють вирішувати наукову проблему в цілому. Згодом ці теоретичні результати використовувалися для проектування систем і мереж комп'ютерів, що підтвердило їхній універсальний характер для даного класу задач. Крім того, практично всі нові й оригінальні прикладні рішення отримано внаслідок впровадження розробленої теоретичної бази, що включає такі розділи:

· критеріальне оцінювання ступеня організованості інформаційних систем;

· теоретичні основи оптимізації часу доставки інформаційних ресурсів в інтелектуальних системах і мережах комп'ютерів;

· теоретичні основи системної інтеграції компонентів високоорганізованих розподілених систем;

· організація універсального множинного доступу в локально-розподілених системах і мережах комп'ютерів;

· атомарна концепція побудови інформаційно-процедурних об'єктів операційного середовища для управління ресурсами у високоорганізованих системах і мережах комп'ютерів;

· евристичні методи проектування ієрархічних інформаційно-управляючих систем і мереж реального часу.

Методи дослідження. Для комплексного вирішення зазначених науково-технічних задач як вихідна теоретична база використовувалися основні положення й методи таких наукових дисциплін: загальна теорія систем, теорія інформації, теорія алгоритмів, теорія графів, теорія ієрархічних систем, мережі Петрі, теорія прийняття рішень за нечітких умов, теорія черг, функціональний аналіз тощо. Крім того, використовувалися відомі методи й способи інженерного проектування засобів і систем, технології програмування, евристичні методи аналізу й синтезу систем, низхідне й висхідне проектування ієрархічних систем тощо.

Наукова новизна одержаних результатів. У рамках дисертаційного дослідження запропоновано концепцію, архітектуру, методологічні й технологічні принципи системної інтеграції функціональних можливостей компонентів розподілених інформаційних систем. Суть розробленої теоретико-прикладної бази, що визначає можливості створення високоорганізованих корпоративних систем і мереж комп'ютерів, полягає в тому, що вона дозволяє підвищити інтегральну ефективність розподілених систем за рахунок оптимізації системовизначальних властивостей рівнів взаємодії апаратно-програмних та інформаційних ресурсів.

Наукова новизна основних результатів:

· запропонована науково обґрунтована концепція створення інтелектуальних корпоративних систем, на відміну від загальноприйнятого підходу, дозволяє реалізувати в корпоративних мережах технологію надання послуг потрібної якості (QoS) за рахунок підвищення якості взаємодії системних ресурсів;

· доведена теорема й виконані розрахунки стосовно адаптації часу доставки пакетів даних до реальних умов дозволяють уперше прийняти оптимальні рішення, засновані на варіюванні та визначенні необхідних характеристик транспортної системи. Уведений коефіцієнт корисної передачі даних, що є основним показником транспортної системи з комутацією пакетів, дозволяє розраховувати ефективність конкретної системи передачі даних і коригувати характеристики її продуктивності відповідно до формату пакетів, що передаються в конкретній мережі. Ці розрахунки можуть бути використані при проектуванні систем і мереж нового покоління (NGN) з потрібним рівнем показника QoS;

· запропоновані універсальний метод доступу й відповідна технологія організації взаємодії вузлів обчислювальної мережі або системи на базі спільного поділюваного каналу зв'язку вперше дозволяють оптимізувати (за потреби ? забезпечити граничну продуктивність) процес інформаційного обміну на канальному рівні;

· розроблений метод синтезу базових компонентів для формування послуг, орієнтованих на корпоративні задачі, реалізовані в рамках локальних мереж з комутацією пакетів, забезпечує функціональну повноту операційного середовища для інтерактивної взаємодії користувачів мультимедійних інформаційних ресурсів;

· запропоновані концептуальні, архітектурні й технологічні рішення щодо організації безпроводового мобільного зв'язку, інтегрованого з регіональними оптичними мережами, дозволили уперше моделювати розвинені та перспективні ad-hoc-мережі з гарантованим рівнем надання мультисервісних послуг інформаційних технологій;

· запропонований критерій оцінювання ступеня організованості інформаційних систем дозволяє характеризувати рівень інтелектуалізації конкретних систем і мереж;

· розроблена теоретико-прикладна модель високоорганізованого операційного середовища дозволяє інтегрувати інтелектуальні можливості всіх підсистем корпоративної інформаційної системи. Для практичної реалізації такої моделі запропоновано нову архітектуру розподілених інформаційно-процедурних об'єктів (ІпрО), які використовувалися для створення самоподібного мультиагентного середовища, що дозволяє реалізувати проактивну політику управління інформаційними ресурсами (зокрема, для убезпечення їх) у корпоративних мережах. Причому самовідновлюваність “клітин” (ІпрО) такого середовища сприяє мінімізації міжрівневого інформаційного трафіка. Відповідно до архітектури ІпрО сформульовано основні теоретичні положення й методологію побудови проблемно-орієнтованого розподіленого середовища для розподілених інформаційно-управляючих систем реального часу.

Практичне значення одержаних результатів. Практичну застосовність та ефективність концептуальних і теоретичних висновків, а також запропонованих засобів і технологій підтверджено такими прикладними проектами:

· розроблено модульний набір засобів створення локальних і корпоративних мереж комп'ютерів на базі універсального мікропроцесорного вузла зв'язку (МВЗ). Ці засоби дозволяють створювати розподілені моноканальні, кільцеві й ієрархічні мережі (у тому числі для ГАВ) з можливістю реалізації високоорганізованих технологій, запропонованих у дисертаційній роботі;

· на основі розроблених типових проектних рішень щодо створення корпоративних мереж комп'ютерів у нафтовій і газовій промисловості були впроваджені у виробництво корпоративна інформаційно-обчислювальна мережа комп'ютерів геолого-геофізичного підприємства „КИВС-ГЕО” та корпоративна мережа комп'ютерів “Інфотранс” ПО “Тюменьтрансгаз”. Розроблена архітектура “Інтермережі” може бути використана як типова при створенні інформаційно-аналітичних систем підтримки прийняття рішень у відповідних структурах органів державної влади;

· відповідно до концепції реалізації високоорганізованих систем у проблемно-орієнтованих комплексах створено інформаційно-управляючі системи „АСПИГС”, “АСУ ТП-ЭЛН” та АРМ “ОДЛ-ГТД”;

· запропоновано технологію моделювання характеристик досліджуваних об'єктів в інтелектуальних застосуваннях, які враховують семантико-статистичні характеристики корпоративних даних, що дозволяє зменшити кількість дорогих натурних експериментів.

Ряд типових технічних рішень захищено патентами України. Результати дисертаційної роботи використано також при виконанні вищенаведених науково-дослідних проектів в Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України та в начальному процесі в Національному авіаційному університеті.

У додатку до дисертації наведено відповідні акти й довідки про впровадження отриманих автором результатів.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати, що виносяться до захисту дисертації, отримані здобувачем самостійно. У працях, опублікованих у співавторстві, дисертанту належать: архітектура та компоненти засобів віддаленого доступу [1]; розробка механізмів формування та аналізу конфліктів на основі мереж Петрі [2]; концепція й алгоритми синтезу та формування елементарних функцій безпеки інформаційних систем [3]; архітектура організації самоподібних підсистем безпеки [4]; розробка теоретичних основ і формування практичних задач оптимізації часу доставки інформаційних ресурсів [5]; розробка алгоритмів синтезу елементарних функцій комп'ютерної телефонії [9]; архітектура й алгоритми організації інформаційно-об'єктного середовища розробки застосувань [12]; розробка принципів і проектних рішень щодо організації безпеки в корпоративних мережах [13]; концепція та інформаційно-технологічні механізми створення підсистеми захисту інформації [14]; принципи та проектні рішення щодо створення інформаційно-аналітичних систем [16]; архітектура, структурна організація й алгоритми функціонування локальних мереж з інтеграцією задач управління [19]; алгоритми й технологія інформаційного обміну в локальній мережі персональних ЕОМ [26]; розробка складу, структури й компонентів АРМ оптичної дефектоскопії [27]; архітектура й технологія організації розподіленої операційної системи [31]; базові засоби організації взаємодії розподілених мікропроцесорних систем [33]; розробка складу, структури й окремих компонентів мережі ЕОМ [34]; розробка архітектури, структурної організації й окремих компонентів універсальних мікропроцесорних систем [39]; розробка спеціалізованої операційної системи реального часу [41]; архітектура, склад і компоненти інформаційно-управляючої системи [42]; розробка архітектури, складу, структурної організації та програмного забезпечення АРМ [43]; розробка складу, структури й компонентів системи [44?47]; розробка об'єктно-орієнтованого середовища функціонування технології комп'ютерної телефонії [51]; розробка архітектури та компонентів багаторівневої організації безпеки телекомунікаційних систем [52]; розробка компонентів системної взаємодії ресурсів розподіленої мережі комп'ютерів [54].

Зв'язок з тематикою і використання отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи були отримані дисертантом при виконанні ряду проектів: НДР і НДДКР “Создать процессор для преобразования и обработки информации в системах реального времени” (1986?1990 рр., проблема 0.80.01, шифр теми СГ 200.01, г/д - 751-87, г/д - 965?89), котрі виконувалися відповідно до постанови ДКНТ СРСР від 30.12.1985 р. № 555; проектів 06.03.01/014-92 “Дослідження та розробка комплексу апаратно-програмних засобів для створення високоорганізованих локальних інформаційно-обчислювальних мереж персональних ЕОМ” (1992?1995 рр., № держреєстрації 0194U000371 ), 06.03.01/048-92 “Розробка та створення локальних обчислювальних мереж персональних ЕОМ з розподіленою операційною системою” (1992?1995 рр., № держреєстрації 0194U000370) відповідно до Державної науково-технічної програми 06.03.01 “Високопродуктивні професійні ЕОМ і проблемно-орієнтовані комплекси широкого призначення; НДР “Корпоративні системи керування і засоби підтримки прийняття рішень в мережевому середовищі”, № держреєстрації 0198U003462 (1997?1998 рр.); НДР “Системи інтелектуальної інформаційної підтримки наукових досліджень”, № держреєстрації 0300U00698 (1998?1999 рр.); НДР “Технологія системної інтеграції в розробках інтелектуальних комп'ютерних систем (ІКС)”, № держреєстрації 0200U004379 (1998?1999 рр.); НДР “Розробка систем реального часу (керування, віртуальні прилади, мультимедіа)”, № держреєстрації 0301U000378 (1997?2000 рр.); НДР “Дослідження напрямків розвитку інтерактивних інтелектуальних терміналів”, № держреєстрації 0201U001865 (1997?2000 рр.); НДР “Інформаційні проблеми зв'язку (компресія, комутація, передача та вимірювання)”, № держреєстрації 0200U004079 (1998?1999 рр.); НДР “Розробка принципів структурної організації та функціонального забезпечення систем масового інформаційного сервісу”, № держреєстрації 0100U003049 (2001?2003 рр.); НДР “Інформаційні проблеми цифрового представлення, передачі, компресії та обробки відеозображень”, № держреєстрації 0100U002664 (2000?2004 рр.); НДР “Системи реального часу. Цифрова обробка сигналів та зображень, геоінформаційні комплекси, мережі комп'ютерів, агент-технології обробки інформації”, № держреєстрації 0101U0000766 (2001?2005 рр.); НДР “Теоретико-прикладні аспекти розвитку інтелектуальних мереж”, № держ-реєстрації 0101U000078 (2001?2005 рр.); НДР “Розробка та створення інтелектуальної відеокамери широкого призначення”, № держреєстрації 0105U006028 (2005 р.); НДР “Розробка принципів побудови інтелектуальних відеосистем з адаптацією параметрів зчитування відеоданих та механізмами уваги і слідкування на базі інтелектуальних відеокамер”, № держреєстрації 0102U003206 (2002?2006 рр.); НДР “Розробка теоретичних та технологічних засад знання-орієнтованих комп'ютерних систем для широкого призначення”, № держреєстрації 0102U003207 (2002?2006 рр.). В усіх перелічених проектах дисертант брав участь як відповідальний виконавець або керівник.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній конференції “Xth Intern. Conf. Knowledge-Dialogue-Solution” (Varna, 2003), міжнародних конференціях з автоматичного керування “Автоматика-2002”, “Автоматика-1995”, “Автоматика-1996” (відповідно Донецьк, Львів, Севастополь), міжнародній конференції “Intern. Conf. on Applied Mathematics Dedicated to the 65th Anniversary of B.N. Pshenichnyi. Kyiv (Ukraine)- 2002”, наукових конференціях “Искусственный интеллект-2002“ (Таганрог?Донецьк), “Электронные информационные ресурсы: проблемы формирования, хранения, обработки, защиты и использования” (Київ, 2001), “Телекомунікація "НТК-Телеком-99"” (Одеса), “Знание-Диалог-Решение” (Ялта, 1997), “Локальные вычислительные сети - ЛОКСЕТЬ” (Рига, 1988, 1990, 1992), на Міжнародному симпозіумі “INFO-89” (Мінськ), Міжнародному семінарі “Automation of Manufacturing and Scientific Research Based on MAР/ТОР” (Москва, 1991), V Всесоюзній школі-семінарі "Распараллеливание обработки информации" (Львів, 1985), а також неодноразово обговорювалися на семінарах наукової ради з проблеми “Кібернетика” НАН України.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 58 наукових праць, у тому числі 43 статті у провідних вітчизняних і закордонних наукових журналах та збірниках, 11 ? у матеріалах конференцій, а також 3 патенти України на винаходи, авторське свідоцтво СРСР.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і двох додатків. Роботу викладено на 382 сторінках, із них основний текст ? 275 сторінок, рисунки ?123, таблиці ? 11. Список використаної літератури містить 325 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі аналізується стан наукової проблеми, обґрунтовано актуальність і наукову новизну дисертаційної роботи, сформульовано основну мету, задачі дослідження, висвітлено практичну значимість отриманих результатів, наведено дані про особистий внесок автора, апробацію результатів роботи й публікації.

У першому розділі розглянуто концепцію й архітектуру організації системної взаємодії ресурсів в інтелектуальних корпоративних системах і мережах комп'ютерів з урахуванням сучасного стану та перспектив розвитку розподілених систем. Безумовно, слово “інтелектуальний”, яке є прикметником, має ступені порівняння. Однак можна довести, що для кожної окремої системи існують архітектури з граничними характеристиками. У процесі обчислення цих характеристик ураховується ефективність системи в цілому.

Для розв'язання цієї задачі в рамках інтелектуальних корпоративних систем запропоновано архітектуру, основний принцип якої полягає в тому, що функціональність системи визначається ступенем організованості системної взаємодії її компонентів. Для реалізації подібних компонентів використовується атомарна технологія створення об'єктно-орієнтованих модулів (інформаційних атомів) системи. Інформаційна частина атома, так зване інформаційне ядро, має атрибутні оболонки, котрі визначають функціональні характеристики даного атома. На відміну від класичних об'єктно-орієнтованих компонентів, атрибутна оболонка інформаційного атома формується з урахуванням семантики його ядра. Таким чином, інформаційний атом стає організуючим елементом, що визначає ступінь організованості операційного середовища в цілому.

Взаємодія інформаційних атомів у середовищі забезпечується інформаційними імпульсами, які утворюють конкретний граф взаємодії атомів у певний момент часу з урахуванням заданих критеріальних оцінок. Така високоорганізована архітектура дозволяє створювати інтелектуальні технології, забезпечуючи функціональну повноту інтегрованої комп'ютерної системи (пристрою). Наприклад, в інтелектуальних мережах користувач може сам спроектувати потрібні йому послуги, незважаючи на те, що вони не входять у список послуг, які надаються. При цьому особливого значення набувають методи попереднього синтезу інформаційних атомів, що забезпечують функціональну повноту інтелектуальних послуг.

Для ефективної інтеграції застосувань, що функціонують у корпоративних мережах комп'ютерів, з технологіями інтелектуальних мереж (ІМ) запропоновано архітектурне рішення, яке дозволяє щонайкраще використовувати можливості ІМ стосовно створення, впровадження й управління послугами, а також прикладні функції корпоративних систем. Таким чином, корпоративні застосування можуть розширити свою функціональність за рахунок інтегральних послуг ІМ (рис. 1).

Рис. 1. Реалізація набору послуг ІМ на рівні корпоративних застосувань (Ік ? інтелектуальний комутатор)

Перехід від інтегрованих моделей до реалізації пропонованої технології показав, що логіка побудови проектованих систем та їхні складові схожі з логікою й складовими об'єктно-орієнтованого програмування. Агенти, служби, послуги, механізми, точки доступу й інші складові ? це, по суті, програмні об'єкти, а семантико-синтаксичні зв'язки між цими об'єктами є спадкоємними.

З концептуальної точки зору програмний об'єкт інкапсулює дві фундаментальні функції: обробка (процедури) і зберігання (дані) інформації. Для розподіленої обробки даних класична структура програмного об'єкта виявилася не зовсім прийнятною, оскільки в ній не відбито третю функцію ? передачу інформації. Дослідження розподілених систем дозволяє запропонувати таку структуру об'єкта:

Type TchildObject = class(TparentObject); Data : Sometype; Procedure SomeProc; Procedure Link; Process Link; end; Procedure Link; Link(Tlink); Execute.Link; end; Type Tlink = procedure (LinkEvents; LinkKeyCode; LinkChannel); end.

Даний об'єкт включає в себе два методи: Procedure SomeProc й Procedure Link. Метод Procedure Link виконується тільки після успішного завершення паралельного процесу Process Link, що здійснює всі операції зі зв'язуваним об'єктом. Процедурний тип Tlink містить у собі змінні, події, зв'язки, їхні ключові коди й канали. Така організація об'єкта має значні перспективи. Якщо для кожного об'єкта визначити множину ключових кодів і задати процедуру стикування об'єктів, то буде забезпечений автоматичний пошук тих об'єктів в операційному середовищі, що мають такий самий ключовий код, як у вихідного об'єкта, а стикування цих об'єктів за заданими правилами дозволить реалізувати багатозв'язну й багатошарову нейроноподібну структуру.

У загальному випадку протоколи всіх рівнів ЕМ ВОС функціонально орієнтовані на забезпечення взаємодії двох і більше розподілених прикладних процесів. З одного боку, характеристики цих протоколів чітко регламентовані існуючими стандартами, а з іншого ? якість взаємодії процесів визначається додатковими можливостями окремих рівнів. Нехай W_i={w_i¹,w_i²,…,w_i^j,…,w_iⁿⁱ} - множина протокольних функцій i-го рівня забезпечення взаємодії прикладних процесів (i=1чn), де n - кількість рівнів взаємодії відкритих систем (для семирівневої моделі ВОС МОС n = 7).

Функції w_i^j є W_i регламентовані існуючими стандартними протоколами, причому однойменні функції двох підсистем віртуально зв'язані між собою (рис. 2).

Рис. 2. Профілі еталонної моделі

Якісні (користувальницькі) характеристики окремих рівнів визначаються не тільки протокольними, але й додатковими функціями V_i={v_i¹,v_i²,…,v_i^j,…,v_iⁿⁱ}. Таким чином, F_i=W_iV_i={w_i¹,…, w_iⁿⁱ, v_i¹, …, v_iⁿⁱ} буде характеризувати функціональні можливості окремої підсистеми. Причому системи, для яких функції f_i є V_i є АСSE-модулями, будуть придатнішими, ніж системи, у яких f_i є V_i є АSSE-модулями. У разі фіксованого n_i W_i буде базовим профілем для розподілених систем обробки інформації. Залежно від призначення системи (мережі), над базовим профілем можуть бути побудовані профілі, де k =k₁ + k₂; k₁,k₂=1чn_i. Тоді буде характеризувати функціональні можливості окремих профілів за фіксованого значення величини k.

Стандартизація протокольних функцій обумовлює існування верхньої межі для величини n_i; ця властивість не поширюється на величину k. Однак V_i = V_ic V_is V_ip, де V_ic, V_is - відповідно протокольні функції АCSE- і АSSE-підсистем, а V_ip - функції, що визначаються вимогами прикладних (користувальницьких) програм. Таким чином, множини V_ic, V_is є скінченними, а V_ip - відкритою, причому склад множиниV_ip обмежується тільки можливостями апаратно-програмних засобів розподілених систем.

Дослідження проблем, що виникають у процесі системної інтеграції різних мережевих і комп'ютерних технологій, з урахуванням функціональних характеристик елементів множини V_i = =V_icV_isV_ip показує, що ці проблеми можна усунути, якщо мережева архітектура буде реалізована на основі концепції віртуального мережевого комп'ютера (ВМК). ВМК являє собою модель якогось комп'ютера, що має уніфіковану систему команд, мережеву ОС з певною командною мовою, мови програмування, мови скриптів і директив, протоколи передачі даних і т.п. (рис. 3). Крім того, ВМК уможливлює розширення командних і мовних засобів.

У загальному випадку Internetworking й Interoperability через ВМК реалізується за такою схемою:

Комп'ютер 1: Застосування 1 _|Запит Стек ВМК [7-6-5-4-3-2-1] P(i) ^L> Застосування ВМК ___^

Комп'ютер 2: Стек ВМК [1-2-3-4-5-6-7] _| Індикація Застосування 2 ^L> Застосування ВМК _____^

Таким чином, застосування ВМК як мережевого фронтального процесора дозволяє реалізувати і мережеву, і розподілену ОС.

Рис. 3. Архітектура віртуального мережевого комп'ютера: 1 - система команд ВМК; 2 - віртуальне драйверне поле ВМК; 3 - розподілене операційне середовище ВМК; 4 - застосування попередніх розробок

Для інтегрального оцінювання ефективності пропонованих рішень уведено критерій ступеня організованості інформаційних систем: , де I_ipr, I_ips - відповідно максимальна (апріорна) та реальна (апостеріорна) кількість інформації, що може бути отримана внаслідок розв'язання i-ї задачі, з_v(x) - функція якісного оцінювання розв'язуваних задач (експертна оцінка за нечітких умов), q_j - вагові коефіцієнти задач. Одиницю виміру величини 0 ? Ш ? 1 позначимо int. Таким чином,

тобто інформаційна система зі ступенем організованості в 1 int вирішує всі задачі множини Sⁱ, і при цьому повністю знімається апріорна ентропія H_pr. Причому кожна задача вирішується щонайкраще, з погляду особи, що приймає рішення, і одержання результатів у ході комплексного розв'язання всіх задач також виконується щонайкраще. Крім того, забезпечується цілісність множини задач, тобто q₁+q₂+…+q_n=1.

Запропоновані у першому розділі концептуальні основи, архітектурні особливості й технологія системної інтеграції обумовлюють необхідність високорівневої організації системної взаємодії ресурсів розподілених інформаційних систем за рахунок підвищення внутрішнього інтелекту транспортного, мережевого, канального та прикладного рівнів, а також розподіленого операційного середовища. Причому взаємна адаптація характеристик цих рівнів й операційного середовища має розглядатись як інтегративна властивість, що дозволяє оцінити ступінь організованості системи й мережі у цілому.

Другий розділ присвячено підвищенню ефективності базових функцій транспортного й мережевого рівнів. Розглядаються теоретичні основи і практичні задачі оптимізації часу доставки інформаційних ресурсів у розподілених системах. Наведено результати аналізу особливостей транспортної системи комутації пакетів, доведено таку теорему.

Теорема. Мінімальний час передачі D байтів корисної інформації та h_A байтів заголовка між host-джерелом і host-приймачем n пакетами через обраний маршрут R з r комутаторами, кожний з яких вносить затримку пакета на h_i ? 0 байт-тактів, дорівнює minT_n^D=D+2(Dr·max{h_i})Ѕ? max{h_i}+ +h₁+h₂+…+h_r+h_r+1 байт-тактам. Розглянуто поодинокий випадок передачі масиву даних від A до B, коли h_i = h_A ?1 i=1чr. Це означає, що розмір заголовка пакетів, які передаються, на всьому маршруті R залишається сталою величиною. Така ситуація найбільш типова для сучасних мереж із комутацією пакетів. Оскільки при цьому h₁+h₂+…+h_r+h_r+1=(r+1)h_A, max{h_i}= h_A, то T^D_n=(D/n)(r+n)+h_A(r+n)=((D/n)+h_A)(r+n) і при n=(Dr/h_A)Ѕ (рис. 4).

Таким чином, основними параметрами транспортного середовища з комутацією пакетів є кількість комутаторів (r) і довжина заголовка (h), від яких безпосередньо залежить час доставки масиву інформації. Саме величини r та h визначають можливість адаптації часу доставки масиву даних D до конкретних умов функціонування бізнес-застосувань. Тому процес вибору потрібного часу доставки масиву даних обсягом D байтів, враховуючи задані значення величин r і h та обмеження, що існують як для цих величин, так і для деяких технічних характеристик транспортного середовища з комутацією пакетів, названо rh-оптимізацією. У роботі досліджено різні варіанти підвищення ефективності транспортного (мережевого) рівня залежно від співвідношення величин r та h. Розрахунки підтверджують можливість зменшення часу доставки пакетів теоретично в (r+1) або (h+1) разів!

Узагальнення теореми. Якщо кожен комутатор r (маршрутизатор) на шляху від джерела даних до адресата для прийому одного байта “витрачає” t_r тактів часу і здійснює затримку корисної інформації на h_r байт-тактів, то час доставки D байтів корисної інформації визначається за формулою . Обчислення показують, що T_n^D буде мінімальним за умови .

У більшості сучасних мереж із комутацією пакетів формат інформації, яка передається, припускає наявність фіксованого службового поля (h) і фіксованого поля даних (d). Тому в існуючих мережах можливості забезпечення мінімального часу доставки масивів даних можуть бути обмежені.

Нехай поле даних у конкретному пакеті має розмір f_d =1чd. Тоді час передачі масиву обсягом D байтів D/d пакетами дорівнює T^D_D/d = (d + h)(r + D/d) байт-тактам. Якщо d байтів передається d/n пакетами, то T^D_d/n = (d/n + h)(r + Dn/d). При цьому мінімальний час доставки d байтів становить T^D_d/n0 = (d/n₀ + h)(r + Dn₀/d) байт-тактів, де n₀=(dr/h)^1/2. Для T^D_n0 = T^D_D/d D=d ²r/n₀h. Це означає, що масив даних обсягом D байтів може бути доставлений за мінімальний час, якщо час доставки масиву з d байтів також буде мінімальним. Обчислимо діапазон значень величини D, для яких досяжна можливість доставки масиву інформації за мінімальний час за умови, що для передачі використовується конкретний формат пакетів з обмеженим полем даних (d). Потрібно знайти такі значення D, за яких (d+h)(r+D/d) =. Якщо врахувати, що n=(Dr/h)^1/2 і при цьому D/n ? d, то з умови D?nd?(Dr/h)^Ѕ випливає D ? d ²r/h. Таким чином, для значень D=1ч (d ²r/h) істинною є рівність (d+h)(r+D/d) =при d=D/n.

Для визначення ефективної продуктивності транспортної системи вводиться коефіцієнт корисної передачі даних (к. к. п. д.) О. Оскільки rh-оптимізація передбачає вибір прийнятних для застосувань значень величини n, то відношення /(D/n+h)(r+n) буде найкращим критерієм для практичного оцінювання к. к. п. д. У випадку фіксованих форматів пакетів О=1 для D=1ч (d ²r/h), . Як зазначалося, у разі D ? d ²r/h мінімум функції T_n^D досягається за будь-якого значення d. Тому будемо аналізувати співвідношення величин r, h і d. Для заданого d обчислюємо максимальне значення D=d ²r/h. Визначаємо змінну величину k=1,2,…,D. Для заданих значень величин r та h обчислюємо теоретичний . У реальних мережах, якщо k<d, час доставки пакетів обчислюється за формулою T(k)=(k+h)(r+1). Для k>d T(k)=(d+h)(r+k/d). Тому функція

буде характеризувати ефективність алгоритмів доставки інформаційних пакетів у конкретній мережі. На рис. 5 показано графіки розглянутих функцій для r=128, h=16, d=64.

Рис. 5. Графіки функцій T(k), min T(k) і P(k)

У процесі оцінювання ступеня організованості інформаційних систем найважливішим завданням є побудова функції належності, що дозволяє визначити якісний рівень розв'язуваних задач. Для адекватного оцінювання алгоритмів rh-оптимізації був сформований елементарний критерій якості

, T(n)=(D/n + h)(r + n).

На рис. 6 показано основні результати оцінювання характеристик оптимізуючого методу комутації пакетів. Ці результати отримані шляхом моделювання поведінки базової функції якості - G(n) (функції належності), відповідно до значень якої можна визначити якість конкретної технології комутації пакетів щодо граничної можливості часу доставки пакетів.

Теоретично G(n) може приймати одиничне значення. На практиці це неможливо, бо існує реальна відмінність характеристик різних трактів передачі даних. Навіть у строго синхронізованих детермінованих системах (мультимікропроцесорних системах, кластерах, мережах на чипах і т.п.) через потребу в округленні значень змінної функції часу доставки інформаційних пакетів і заповненні до кратних значень окремих полів форматів пакетів досягнення граничних значень функції якості комутації пакетів буде досить рідким випадком (елементарні розрахунки дозволяють точно обчислити, за яких значень характеристик алгоритму rh-оптимізації G(n)=1).

Запропонований критерій G(n) не враховує ступінь близькості поточних значень функції належності до оптимального значення, що не дозволяє в ряді випадків коректніше оцінити якість доставки пакетів даних. Для підвищення точності оцінки конкретної схеми реалізації алгоритму доставки пакетів даних запропоновано використовувати критерій K(n)=(D?|n?m|)/D, де m=(Dr/h)^Ѕ, n=1чD. Критерій K(n) враховує відхилення поточного значення n від оптимального значення m, але не дозволяє оцінити оптимістичні варіанти доставки пакетів даних. Тому як універсальний критерій може бути використана функція

(TD - T(n))/(TD - TM) if h ? r T1:=(D+h)(r+1)

M(n):= TD:=(1+h)(r+D)

(T1 - T(n))/(T1 - TM) if h < r TM:=((hr)^Ѕ+D^Ѕ)².

На рис. 7 показано графіки функцій оцінки ступеня організованості алгоритмів rh-оптимізації за трьома критеріями - G(n), K(n) і M(n). Із трьох розглянутих критеріїв G(n) найточніше характеризує якість реалізації алгоритмів rh-оптимізації, при цьому M(n) є оптимістичним критерієм, а K(n) - песимістичним. Використання всіх запропонованих критеріїв сприяє всебічному аналізу можливостей алгоритму доставки інформаційних пакетів, що дозволить вибрати найбільш прийнятні його варіанти у конкретних умовах, виходячи з вимог до часу доставки пакетів даних.

Слід особливо зазначити, що в мережах комутації пакетів час доставки масивів даних є адаптовною величиною. Тому, якщо потрібно доставити інформаційний масив за час, що дорівнює T(n1), де n1=1…D, то відповідні функції якості реалізації алгоритму часу доставки мають бути такими (рис. 8):

T(n1)/T(n) if T(n) ? T(n1)

G1(n):=

T(n)/T(n1) if T(n) < T(n1)

Таким чином, запропоновані критерії дозволяють оцінити кількісні та якісні характеристики алгоритмів rh-оптимізації в конкретних системах і мережах комутації пакетів. Їх також можна використовувати під час проектування корпоративних інформаційних систем для оптимізації як алгоритмів маршрутизації, так і розміщення розподілених баз даних.

Третій розділ присвячено підвищенню ефективності канального рівня в однорангових мережах шляхом впровадження алгоритмів досягнення граничної продуктивності. Актуальність проблеми з яскраво вираженими співвідношеннями між обраними технологіями доступу в канал і загальною ефективністю системи найчіткіше проявляється в моно- і поліканальних локальних мережах комп'ютерів, а також у розподілених системах, де обмін між вузлами здійснюється через спільний поділюваний канал.

Рис. 9. Структура стека

Для підвищення ефективної продуктивності на канальному рівні, а також для динамічної оптимізації взаємодії вузлів локальної мережі розроблено технологію універсального множинного доступу в розподілених системах, основу якої становить адаптивний стековий алгоритм. Структуру стека показано на рис. 9. Нехай N = {n₁, n₂, , n_j, , n_N} - множина адрес станцій, кількість яких регламентується алгоритмом CSMA/CD для роботи в локальній мережі; N? кількість елементів множини N; M⁰=2чN - кількість станцій у локальній мережі. Будемо вважати, що M=2чM⁰ станцій включені в локальну мережу; - множина адрес активних станцій, що мають дані для передачі в мережу (M₁=2чM); - множина адрес неактивних станцій, які включені в мережу, але працюють в автономному режимі (M₂=0чM?M₁); - множина адрес пасивних станцій, не включених у мережу (M₃ = M?(M₁+M₂); - множина адрес станцій, які в процесі інформаційного обміну завершують роботу в мережі та переходять у режим неактивних або пасивних. Функціонування стека реалізується в трьох режимах.

Початковий режим формування стека: передбачається, що в локальну мережу підключені М абонентських станцій, M₁=2чM станцій починають передачу інформації.

Стаціонарний режим: передбачається, що M₁=2чM станцій ведуть регулярний інформаційний обмін між собою. M₂=0чM?M₁ станцій включені в мережу, однак не мають даних для передачі.

Робочий режим. Варіант 1. У цьому режимі деякі з M₂ станцій або всі починають передачу інформації.

Варіант 2. Усі станції з M₃ = M?(M₁+M₂) або деякі з них включаються в мережу й починають передачу інформації.

Для реалізації зазначених варіантів запропоновано нову структуру стекового механізму з убудованим списком команд (таблиця).

Структура стекового механізму

У початковому режимі здійснюється первинне формування управляючого стека. Найперші спроби доступу в канал M₁ абонентськими станціями реалізуються за стандартним (класичним) алгоритмом CSMA/CD (тобто між M₁ станціями починається суперництво за захоплення каналу). Насамперед станції записують на дно стеків свої адреси. Адреса першої станції, що змогла передати перший кадр, записується у вершині стеків усіх M₁+M₂ абонентів. Існує ймовірність того, що в наступних циклах успішна передача кадру буде виконана станцією, що передала кадр у першому циклі. Скільки б не повторювалася ця процедура, стан стека залишиться таким, як після передачі першого кадру мережею. Якщо ж передачу кадру здійснила інша станція, то виконується операція ЦЗДП. Процес буде тривати, доки станція, що передала перший кадр, зможе передати й другий кадр, потім у відповідних стеках виконуються операції ЦЗДП і ЦЗДЧ. Із цього моменту вміст усіх стеків буде однаковим.

У роботі наведено повний опис алгоритму та приклади формування стека. Розглядається варіант реалізації подвійного стека. При цьому за умови передачі мультимедійного трафіка шляхом трансляції фреймів мінімального розміру загальна ефективна продуктивність системи на канальному рівні збільшується на 17,2 % порівняно із ситуацією, коли в кожному фреймі передається адресна інформація.