Управление процессами построения и функционирования локальных вычислительных сетей как систем с распределенной обработкой данных

В настоящее время уровень развития средств обработки и передачи данных достиг такого этапа, когда стало возможным дальнейшее существенное улучшение технико-экономических характеристик АСУ и других информационных систем не только и не столько за счет совершенствования технических параметров вычислительных средств и каналов связи, сколько за счет перехода к новой организации информационно-вычислительных процессовраспределенной обработке данных. Системы с распределенной обработкой данных, позволяя рассредоточивать процессы хранения и обработки данных в соответствии с потребностями в информации пользователей, в состоянии обеспечить тем самым весьма широкий круг требований по оперативности управления, качеству информационного обслуживания, а также по живучести и надёжности системы в целом. Наиболее характерным представителем таких систем являются локальные вычислительные сети (ЛВС).

Однако характеристики производительности систем с распределенной обработкой данных существенно зависят от организации информационного взаимодействия между элементами таких систем. Предварительные расчеты показывают, что за счет оптимизации построения и функционирования систем такого рода их производительность может быть повышена на порядок и более. Практически это означает, что, например, ЛВС с быстродействием 10 Мб/с в результате ее оптимизации может выполнять задачи, для решения которых в обычных условиях требуется поставить ЛВС с быстродействием 100 Мб/с. С учетом того, что в подобной ситуации осуществляется переход от системы с малым быстродействием к системе со средним быстродействием, становится очевидным значительный экономический выигрыш. Чтобы подобное стало возможным, необходимо иметь соответствующий аппарат оптимизации построения и функционирования систем рассматриваемого типа.

Вопросы подобного плана неоднократно привлекали внимание исследователей и разработчиков ЛВС и систем на их основе. Однако исторически сложилось такое положение, что первые теоретические проработки вопросов построения и функционирования ЛВС были связаны лишь с проблемами организации сетевого доступа к ресурсам ЛВС [29,30,31] и вылились в создание ряда стандартов сетевого доступа, получивших широкое признание на международной арене. Серьезные проработки в этом направлении имеются и в нашей стране. Достаточно сослаться на работы [79,80], заложившие основу интервально-маркерного метода доступа, обладающего весьма хорошими эксплуатационными характеристиками.

С развитием и широким распространением различного рода информационных систем на базе ЛВС стало ясно, что повышение производительности системы за счет лишь совершенствования процедур управления доступом в ЛВС явно недостаточно, поскольку практически не обеспечивает надлежащего учета вероятностных характеристик используемой в сети информации.

Осознание этого факта явилось побудительным мотивом к развертыванию широкого круга исследований по созданию теоретического и методического аппарата, направленного на решение задач оптимального построения и функционирования ЛВС [13,14,15,16]. Особенно активно работы рассматриваемого плана начали проводиться с появлением и практической реализацией при создании информационных систем концепции распределенной обработки данных.

Первые практические реализации указанной концепции при построении реальных информационных систем позволили установить, что во многих случаях ожидания предполагаемого эффекта от внедрения систем с распределенной обработкой данных (СРОД) на базе ЛВС не вполне оправдываются. Более глубокий анализ сложившихся ситуаций позволил сделать ряд основополагающих выводов, которые обобщенно можно сформулировать следующим образом [4,5,6,11]:

1 Эффективное функционирование СРОД на базе ЛВС может быть обеспечено лишь в том случае, когда учитываются оеальные статистические характеристики обработки конкретной информации в конкретной информационной системе;

2)Имеющиеся на рынке сетевые операционные системы не обеспечивают должного учета особенностей каждой конкретной информационной системы;

3)Наиболее полное использование потенциальных возможностей СРОД на базе ЛВС может быть достигнуто лишь при наличии и активном использовании теоретического и методического аппарата, обеспечивающего принятие рациональных решений по построению и организации функционирования ЛВС.

Широкое развертывание работ по теоретическим и методическим аспектам построения и функционирования ЛВС в 80−90-х годах ушедшего столетия характерно для большинства ведущих государств мира. Вместе с тем, организация и проведение этих работ в разных странах имело свою специфику. Для исследователей Западной Европы и, особенно, США характерным стало широкое использование специальных стендов и мощных имитационных программных комплексов [13,33,75,101]. На этом пути был получен ряд весомых результатов, позволивших значительно улучшить эксплуатационные характеристики крупных информационных систем на базе ЛВС, реализующих концепцию распределенной обработки данных [13,101].

Однако для зарубежных разработок характерно также (хотя и в меньшей мере) использование аналитического аппарата для исследования рассматриваемых вопросов. Здесь необходимо отметить, прежде всего, работы [14,15,16].

Более детальный анализ работ зарубежных исследователей позволяет сделать некоторые обобщающие выводы, существо которых сводится к следующему.

Использование больших моделирующих стендов и имитационных программных комплексов позволяет осуществить полунатурное моделирование создаваемой информационной системы на базе ЛВС и получить характеристики ее функционирования, близкие к реальным. Вместе с тем, этот подход обладает двумя существенными недостатками.

Во-первых, он связан с весьма значительными затратами и в этом плане его осуществление под силу лишь крупным специализированным организациям, располагающим большими финансовыми возможностями.

Во-вторых, имитационное моделирование, позволяя получать достаточно точные эксплуатационные характеристики для каждого выбранного варианта построения и организации функционирования ЛВС, не обеспечивают систематизированного поиска наиболее рационального варианта, т. е. практически не позволяет решать задачу оптимизации ЛВС.

Наличие широких возможностей по использованию полунатурного имитационного моделирования ЛВС у зарубежных исследователей, по-видимому, явилось причиной того фактического положения, что развитие ими аналитических методов исследований в данной области на привело к появлению логически завершенной теории, которая бы обеспечивала решение всего комплекса основных задач, возникающих при проектировании и эксплуатации ЛВС. Известные работы зарубежных авторов в этом направлении связаны, главным образом, лишь с отдельными частными аспектами рассматриваемой проблематики. Так, значительное внимание уделено вопросам анализа очередей в системах на базе ЛВС. Здесь можно отметить достаточно широкий круг авторов, работавших в данном направлении и получивших весомые результаты [2,8,14,15,16].

Отечественные исследователи в последние два десятилетия внесли значительный вклад в развитие теории и методологии построения и функционирования ЛВС и различного рода информационных систем на их основе [1,4,5,6,9,11,12,28]. Характерной особенностью исследований, проводимых в нашей стране в рассматриваемой области, является широта охвата тематики и стремление развивать, по возможности, аналитический аппарат для решения вопросов анализа и синтеза ЛВС.

Из известных работ в этом направлении по глубине и научной значимости полученных результатов, в первую очередь, необходимо выделить работы [4,5,6,9].

В [6] реализуется оригинальный подход к оптимизации ЛВС, основанный на своеобразной интерпретации процедур последовательного развития, анализа и отбраковки неперспективных вариантов, навеянный основными идеями [22]. Этот подход был апробирован при разработке ряда реальных информационных систем на базе ЛВС и положительно себя зарекомендовал. Однако данный подход не лишен и ряда серьезных недостатков. Прежде всего необходимо отметить, что собственно схема ветвления не является логически прозрачной и ее построение требует значительной аналитической работы. Кроме того, расчетная процедура ориентирована на конкретику решаемой задачи и ее каждый раз необходимо программировать заново, что затрудняет ее прикладное использование.

Достаточно интересный подход характерен для работ [9,28], где предпринимается попытка формулировки задач оптимизации ЛВС в терминах целочисленного математического программирования. Однако в указанных работах не учитывается сложный характер зависимости временных оценок процессов функционирования ЛВС от конкретных наборов переменных назначения. Это снижает доверие к конечному результату, полученному в итоге решения оптимизационной задачи.

Более реальным в плане широкого использования в практических приложениях представляется подход, изложенный в работах [4,5], где в качестве основного аппарата также предлагаются методы математического программирования, однако оценка вариантов построения и организации функционирования ЛВС осуществляется на основе критериев затратного типа, не связанных непосредственно с временными характеристиками протекающих в ЛВС информационных процессов. Основным недостатком указанного подхода является слабая обоснованность взаимосвязи используемых показателей с эксплуатационными характеристиками ЛВС.

Значительный круг работ посвящен вопросам рациональной организации функционирования серверных станций в составе ЛВС, в частности, эти вопросы рассмотрены в [24,25,44]. Наиболее глубокие результаты в этом отношении хаиактеоны для исследований, опубликованных в Г241. Вместе с тем. предлагаемые в указанных работах методологические подходы не взаимосвязаны с описанием информационных процессов на более высоких уровнях, что в заметной степени снижает их общенаучную ценность.

В целом, обобщая вышеизложенное, можно констатировать, что исследования по рассматриваемой тематике проводятся в ряде организаций как в нашей стране (например, в ИПУ РАН, г. Москва, в СПИИРАН, г. С.-Петербург, в ряде НИИ Министерства Обороны РФ), так и за рубежом. Наиболее ощутимых результатов удалось достичь авторам работ [1,4,5,6,9,11], а также [13,15].

Вместе с тем, анализ известных публикаций позволяет утверждать, что существующие подходы к решению рассматриваемых вопросов имеют ряд серьезных недостатков. К основным из них можно отнести следующие.

Авторы большинства публикаций замыкаются на решении, как правило, отдельных частных, хотя и достаточно важных задач. Это не позволяет охватить исследуемую проблематику в целом.

Другой важный недостаток имеющихся публикаций заключается в том, что развиваемые в них подходы предъявляют настолько высокие требования по детализации описания процессов функционирования ЛВС, что их практическое выполнение становится нереальным.

С учетом изложенного можно утверждать, что назрела необходимость разработки такого подхода, который бы обеспечивал решение на единой теоретической основе всего комплекса вопросов по управлению процессами построения и функционирования ЛВС и, в то же время, позволял формулировать необходимые практические задачи на реально возможной совокупности исходных данных. Именно такую направленность имеет настоящая диссертационная работа.

В свете изложенного становится очевидной актуальность диссертационной работы, в которой решается научная задача разработки методического аппарата управления процессами построения и функционирования ЛВС на основе их структурной и организационной оптимизации.

Целью работы является повышение функциональной эффективности широкого круга автоматизированных систем (АС), построенных на базе ЛВС с распределенной обработкой данных.

В рамках поставленной в работе научной задачи решается ряд частных исследовательских задач, основными из которых являются следующие:

1.Формализация и анализ процессов функционирования ЛВС.

2.Обоснование логико-физических основ оптимизации структуры и организации ЛВС.

3.Построение совокупности показателей эффективности ЛВС.

4.Разработка методов структурной оптимизации ЛВС.

5.Разработка методов оптимальной организации ЛВС.

6.Анализ возможностей эвристического подхода для построения методов поиска решений в задачах оптимизации ЛВС, формулируемых в терминах целочисленного (псевдобулевого) математического программирования.

7.Разработка системы эвристик для поиска решений в задачах оптимизации ЛВС.

8.Разработка методического, алгоритмического и программного обеспечения оптимизации ЛВС.

По итогам проведенных в диссертации исследований на защиту выносятся следующие положения:

1. Общая формулировка задач оптимизации построения и функционирования ЛВС как систем с распределенной обработкой данных.

2.Совокупность показателей оценки эффективности ЛВС.

3.Методы структурной оптимизации ЛВС, обеспечивающие построение наиболее рациональной структуры рассматриваемых систем.

4.Методы оптимальной организации ЛВС, позволяющие определять наиболее эффективные варианты организации функционирования ЛВС.

5.Система эвристик для поиска решений в задачах оптимизации ЛВС.

6 .Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение оптимизации ЛВС.

Научная значимость и новизна оаботы заключается в следующем:

1 .Впервые в рамках единого системного подхода сформулирована и решена задача обоснования логико-физических основ оптимизации ЛВС, методов построения оптимизационных моделей и системы эвристических алгоритмов для поиска решений в этих моделях.

2.Разработана оригинальная логико-физическая трактовка и общая формулировка задач оптимизации ЛВС.

3.Разработаны методы оптимизации структуры и организации ЛВС, сформулированные в терминах целочисленного (псевдобулевого) математического программирования.

4.Разработана система эвристик для поиска решений в задачах оптимизации ЛВС.

Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что предложенный аппарат оптимизации ЛВС доведен до логического завершения в виде системы эвристических алгоритмов, обеспечивающих получение конкретных решений для любых практических ситуаций использования ЛВС. Указанные алгоритмы практически не имеют ограничений на размерность решаемых оптимизационных задач и легко реализуются в виде машинных программ для современных персональных ЭВМ. Полученные результаты позволили обосновать структуру и алгоритмы функционирования АСУ специального назначения организационного типа.

В структурном отношении материал диссертации скомпонован в трех главах.

В первой главе дается формальная интерпретация информационных процессов, протекающих в автоматизированных системах на базе ЛВС с распределенной обработкой данных. Излагаются логико-физические основы оптимизации структуры и организации ЛВС, формулируется общая постановка задач оптимизации и обосновывается совокупность показателей эффективности ЛВС.

Вторая глава отведена непосредственно методам оптимизации ЛВС, формулируемым в рамках аппарата теории дискретного математического про-гоаммишвания. Разшбатываются методы стоуктуоной оптимизации ЛВС. методы оптимальной организации ЛВС, а также комбинированные методы оптимизации.

В третьей главе разрабатывается система эвристических алгоритмов для поиска решений в задачах оптимизации ЛВС. В основу построения системы положены логико-физические аналогии, отображающие смысловое содержание каждой конкретной прикладной задачи.

В приложение вынесены результаты практического использования разработанного теоретического и методического аппарата для оптимизации ЛВС на примере реальной АСУ организационного типа, предназначенной для управления техническим обеспечением специальных подразделений.

120 Выводы.

1. Эвристические методы поиска решений сложных задач оптимизации в последние годы получают все более широкое распространение даже в тех ситуациях, когда оптимальное решение может быть получено строгими методами. Это объясняется тем, что использование указанных методов позволяет, как правило, достичь хорошего компромисса в рамках соотношения «затраты на поиск решения / качество получаемого решения». Для задач же большой размерности эвристический подход часто является единственно возможным путем их решения.

2. Предложенные для решения рассмотренных задач псевдобулевого математического программирования эвристические методы позволяют получать решение, близкое к оптимальному. В ряде ситуаций это решение совпадает с оптимальным. Указанные методы имеют простую физическую интерпретацию и легко реализуются в виде машинных программ для современных персональных ЭВМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе выполненных в диссертационной работе исследований поставлена и решена научная задача разработки методического аппарата управления процессами построения и функционирования ЛВС на основе их структурной и организационной оптимизации.

При этом получены следующие основные теоретические и практические результаты:

1. Определена формальная интерпретация информационных процессов (ИП) э протекающих в автоматизированных системах на базе ЛВС с распределенной обработкой данных. Полученная формализация ИП обеспечивает адекватное описание возможных вариантов функционирования ЛВС и составляет основу для формулировки методов оптимизации ЛВС.

2.Разра6отаны логико-физические основы оптимизации структуры и организации ЛВС, учитывающие все наиболее существенные черты процессов функционирования ЛВС. Получена общая формулировка задач оптимизации построения и функционирования ЛВС как систем с распределенной обработкой данных.

3.Обоснована совокупность показателей оценки эффективности ЛВС, позволяющая количественно определять основные характеристики функционирования ЛВС и оценивать различные варианты структуры и организации ЛВС.

4.Разработаны методы структурной оптимизации ЛВС, обеспечивающие поиск и обоснование наиболее рациональных вариантов построения ЛВС. Применение этих методов нацелено, в основном, на этапы, связанные с разработкой прикладной АС на базе ЛВС с распределенной обработкой данных, что позволяет построить систему с заданными характеристиками при существенно меньших затратах по сравнению с ситуацией, когда оптимизация отсутствует.

5.Разработаны методы оптимальной организации ЛВС, направленные на поиск наиболее эффективных вариантов функционирования ЛВС. Использование этих методов ориентировано на этапы начальной настройки и реконфигурации системы и направлено на значительное улучшение характеристик ЛВС с заданной структурой.

6. Разработаны комбинированные методы оптимизации ЛВС, обеспечивающие одновременное в едином цикле расчетов решение вопросов оптимизации построения и функционирования ЛВС.

7.Разработана система эвристик для поиска решении задач оптимизации ЛВС, основанная на адекватном отображении в процедурах поиска физической сущности рассматриваемых оптимизационных задач, формулируемых в терминах дискретного математического программирования.

8.Получены оценки качества разработанных эвристических методов, свидетельствующие об их высоких функциональных возможностях.

9.Разработано методическое, алгоритмическое и программное обеспечение оптимизации ЛВС.

В целом можно констатировать, что полученная в диссертации совокупность научных результатов определяет новое решение актуальной научной задачи имеющей важное народнохозяйственное значение, так как ее использование обеспечивает снижение затрат при реализации программ информатизации и компьютеризации предприятий и организаций.