Надежность и качество связи является одним из важнейших показателей боеготовности войск в современных условиях. На фоне возросшего объема передаваемой по сетям связи информации и все более строгих требований к оперативности управления войсками, и военной связью в частности, растет влияние автоматизированных систем управления связью (АСУС) на качество оперативного управления военной связью.
При разработке программного обеспечения (ПО), ориентированного не управление связью, решение обычно сводится к построению информационной системы (ИС) или автоматизированной системы управления связью, включающей в себя ИС на основе баз (ы) данных (БД). По оценкам американских экспертов, в США применение программных комплексов АСУС с использованием БД позволило сократить ежегодные расходы на управление связью на 20% [4]. Не менее важными показателями являются сокращение длительности процессов управления (например, время сбора информации в больших системах связи сокращается с 1−3 минут до нескольких секунд), а также повышение качества связи благодаря более эффективному управлению [4, 5, 6, 59, 60]. Последние два показателя являются наиболее существенными для систем военной связи, функционирующих в боевых условиях [9. 10]. Разработки программного обеспечения для военных АСУС в нашей стране [9] ведутся около 30 лет. Создание действующих систем относится к концу 1980;х — началу 1990;х годов. Разработчики неизбежно сталкиваются со сложностями при формализации процессов оперативного управления, что вызывает необходимость жесткого компромисса между гибкостью автоматизации и степенью ее погружения в реальные управленческие процессы. Разрешение этой дилеммы происходит зачастую не в пользу гибкости. Как следствие этого факта, создаваемые системы часто несовместимы между собой, а составляющие их программные средства и системные архитектурные решения не подлежат повторному использованию или реинжинирингу.
Однако, как показывает анализ формальных основ оперативного управления, принципов, опыта и требований к его автоматизации, возможна разработка базового программного обеспечения АСУС, которое облегчало бы создание на его основе систем автоматизации, обладающих повышенными свойствами гибкости и адекватности требованиям управления. Так, неотъемлемой компонентой программных комплексов АСУС на основе баз данных является ПО управления данными, обеспечивающее хранение, актуальность и целостность данных, а также доступ к этим данным других программных средств. В связи с ростом требований к качеству такого ПО, современные мировые тенденции в области его разработки направлены на создание открытых, интероперабельных, легко масштабируемых и реконфигурируемых архитектур программного обеспечения [23, 27, 34, 35, 38, 39, 45, 49, 50, 51], с повышенной готовностью серверного обеспечения [34, 46, 63].
Актуальным является создание ПО управления данными автоматизированных систем управления связью на основе таких архитектур программного обеспечения, которые поддерживали бы масштабируемость, реконфигурируемость, готовность системы и интероперабельность ее компонентов. Для нашей страны решение этой задачи позволит не только обновить и улучшить технически устаревшие системы, но и создать решения или прототипы для массового применения, которые в настоящий момент отсутствуют. Исследования в этой области ведутся несколькими крупными научно-исследовательскими институтами связи Санкт-Петербурга, Москвы, Пензы и Воронежа [9].
Состояние проблемы. Вопросы исследования моделей и методов управления данными в программных комплексах систем управления состоят в построении т.н. рабочей модели данных как совокупности моделей статики и динамики данных, а также архитектуры и интерфейсов ПО управления данными. В текущих опытных разработках [9] программных комплексов АСУС для построения рабочих моделей данных используется ER-подход с последующим переходом к реляционной модели данных (РМД), а в качестве архитектурных решений при разработке ПО — расширяемые архитектуры типа «файл-сервер» с фрагментированными реляционными БД, пришедшие на смену архитектурам с локальным доступом к данным. В отдельных теоретических работах [9.3] используются модели клиент-серверного доступа в глобальных (в т.ч. неоднородных) сетях, однако эти работы, по-видимому. далеки от практического воплощения [9].
Цель работы и методы исследований. Целью настоящей работы является исследование и реализация моделей и методов управления данными для программных комплексов АСУС, направленных на построение предметно-специфического ПО управления данными в качестве самостоятельной подсистемы, включающей в себя базу данных и ряд программных средств и обладающей следующими свойствами:
• Логическая централизованность, устанавливаемая в целях более эффективного поддержания целостности совместно используемых данных;
• Более полный, по сравнению с существующими решениями, учет особенностей предметной области и возможностей средств управления при разработке методов хранения и обработки данныхв частности, разработка новых, более адекватных, концептуальных моделей, учитывающих иерархические структуры и фазу автоматического контроля в управлении связью;
• Масштабирование реализуемой модели доступа к данным до географически распределенных сетей, в соответствии с перспективами развития программных комплексов АСУС;
• Поддержка открытых внешних интерфейсов с прикладными программами АСУС на основе единой интерфейсной модели для повышения их интероперабельности в пределах систем данного класса, что должно привести к снижению стоимости реинжиниринга прикладных программ и/или стоимости реконфигурации программных комплексов АСУС в целом;
• Повышенная готовность серверного обеспечения на основе организации кластерных структур.
Разрабатываемое в настоящей работе программное обеспечение является базовым для прикладных задач АСУС в аспекте их доступа к совместно используемым данным, хотя бы потому, что инкапсулирует в себе эти данные.
В ходе теоретических исследований и инженерных разработок автором использовался аппарат теории множеств, математического анализа, исчисления предикатов, логико-лингвистические методы с применением формальной диаграммной техники (ER-диаграммы, SDL-диаграммы). При реализации и экспериментальной проверке автором были использованы средства объектно-ориентированного языка программирования С++, формальные средства определения данных в реляционной модели, средства языка запросов к реляционным базам данных SQL-92, а также объектно-ориентированного языка определения интерфейсов COM IDL.
На защиту выносятся результаты, включающие построение модели процесса управления, расширенной модели entity-relationship, концептуальных моделей системы связи и результатов планирования, разработку архитектур и интерфейсов соответствующего программного обеспечения, реализацию программного комплекса, а также его внедрение и экспериментальную проверку.
Научная новизна. В настоящей работе получены следующие новые результаты:
• В результате проведенных исследований построена абстрактная модель процесса управления связью, представляющая его в виде взаимодействия между объектом управления, системой управления и внешним миром на основе состояний, событий и численных оценок, и описывающая таким образом характер использования и взаимосвязь между моделями этих объектов.
• Исследована известная модель entity-relationship и построено ее расширение, обладающее новыми объектно-ориентированными свойствами.
• Исследована и формализована новая концептуальная модель системы связи в качестве объекта управления, более полно отражающая ее структурные особенности и учитывающая возможности автоматического контроля.
• Исследована и формализована универсальная концептуальная модель результирующих данных планирования связи.
• Создана модель сетевого взаимодействия «клиент-кластер», основанная на понятии соединения в однородной сети и обеспечивающая организацию и управление кластерами серверных процессов для повышения их готовности.
• Разработана архитектура ПО управления данными в виде четырехуровневой распределенной системы клиент-серверного типа с открытыми внешними интерфейсами и поддержкой кластеров серверных процессов средствами промежуточного слоя.
• Осуществлена реализация и экспериментальная проверка программного комплекса, соответствующего разработанной архитектуре и инкапсулирующего разработанные концептуальные модели на основе реляционной БД.
Практическая ценность результатов работы. Результаты, полученные автором в настоящей работе, открывают ряд новых возможностей для разработчиков баз данных и программного обеспечения, а именно:
• Возможность более эффективной формализации концептуальных моделей в рамках ER-подхода благодаря новым свойствам разработанной расширенной модели entity-relationship.
• Возможность использования кластерной технологии на уровне отдельных приложений, позволяющей частично заменять или дополнять собой промышленные решения, как правило выполненные на уровне операционных платформ, и обладающей достоинствами легкости реализации, настройки и переносимости.
• Возможность использования, разработанных концептуальных моделей, а также созданного программного комплекса, или его архитектуры в качестве прототипа, для разработки и внедрения различных АСУС на различных узлах связи, как оборонных, так и другого назначения.
Реализация результатов. Теоретические и инженерные результаты данной работы нашли свое воплощение в программном комплексе (ПК) управления данными, созданном для АСУС пункта управления связью и Центрального узла связи Главного Штаба объединенных.
Войск ПВО и ВВС РФ. Программный комплекс называется операционным ядром АСУС, представляет собой указанную выше четырехуровневую систему и реализует разработанные модели и методы управления данными. Данный ПК разработан лично автором, причем создание прикладных программ, взаимодействующих с ПК, велось как самим автором, так и под его руководством. Опытно-конструкторская разработка выполнялась во Всесоюзном институте волоконно-оптических систем связи и обработки информации, г. Москва, и к настоящему времени прошла внедрение, что подтверждено соответствующим актом.
Краткое содержание работы по главам:
В первой главе исследуются особенности требований к ПО управления данными АСУС в условиях роста требований к современным системам связи, детализируется содержание вопросов разработки такого ПО. анализируются мировые тенденции в этих вопросах и существующие подходы к их решению в области автоматизации управления связью. Отмечается, что нерешенными в рамках указанной актуальной задачи остаются следующие основные проблемы:
1. Метод проектирования рабочей модели данных, основанный на формализации концептуачьной модели при помощи ER-подхода и переходе к схемам отношений в РМД. недостаточно эффективен в данной предметной области по сравнению с объектно-реляционными подходами.
2. В рабочую модель данных не закладывается формальная взаимосвязь между объектом управления, процессом управления и исходными данными, полученными на этапе планирования.
3. Отсутствуют инженерные решения по организации архитектуры ПО управления данными АСУС на основе парадигмы «клиент-сервер» с логической централизацией данных.
4. Существующие архитектурные решения ПО не обеспечивают масштабируемость и реконфигурируемость ПК АСУС в степени, необходимой для создания универсальных систем такого класса или их прототипов для применения на различных пунктах управления связью.
5. Известные решения по отказоустойчивости серверного обеспечения основаны на архитектуре СМ ЭВМ, в настоящее время устаревшей.
На этой основе ставится задача построения ПО управления данными АСУС в качестве самостоятельной подсистемы, реализующей требуемую полноту рабочей модели данных на основе централизованной, масштабируемой и реконфигурируемой распределенной архитектуры с открытыми внешними интерфейсами и поддержкой кластеров на внутреннем уровне.
Во второй главе проводится построение теоретических моделей, являющихся основой рабочей модели данных. Строится обобщенная модель процесса управления связью на основе состояний, событий и численных оценок, определяющая формальный процесс управления как взаимодействие между моделями объекта управления, системы управления и внешнего мира. Модель допускает количественные интерпретации благодаря введенным численным оценкам стоимости, адекватности и целевой функции управления.
Далее проводится построение расширенной модели entity-relationship. Анализируются свойства, входящие в современное обобщенное понятие «расширенной модели entity-relationship» '. затем проводится формальное построение модели с дальнейшим расширением свойств. Построенный в результате формализм позволяет учитывать иерархии наследования как для сущностей, так и для связей, множественное наследование, защиту от наследования, абстрактные объекты, расширяет понятия кардинальности и обязательности связей, слабой сущности, поддерживает встроенную глобальную идентифицируемость и полиморфизм на основе позднего связывания. Таким образом, модель обладает объектно-ориентированными свойствами, однако не рассматривает методы объектов.
На основе построенной расширенной ER-модели и с учетом обобщенной модели процесса управления строится концептуальная модель системы связи с учетом контрольных точек и универсальным атрибутом состояния объекта, а также концептуальная модель результатов планирования, интегрирующая различные документы планирования связи в форме сценариев переходов состояний.
В третьей главе исследуются инженерные подходы и решения, направленные на создание программного обеспечения, реализующего модели, полученные во второй главе, и обладающего системными свойствами, сформулированными в составе постановки задачи. Анализируются современные распределенные архитектуры ПО: DCE, CORBA 2.0 и DCOM, обеспечивающие масштабируемость и реконфигурируемость систем на основе открытого интероперабельного взаимодействия. На основе этого анализа, а также анализа особенностей предметной области, проведенного в главе I, делается вывод о целесообразности разработки многоуровневой архитектуры клиент-серверного типа с промежуточным слоем, обеспечивающим организацию кластерных структур, и внешними интерфейсами, отвечающими распространенным спецификациям, применяемым в открытых системах.
Далее проводится исследование и разработка общей архитектуры ПО управления данными АСУС в виде так называемого операционного ядра (ОЯ) в функциональном и распределенном аспектах. Архитектура ОЯ разрабатывается на основе модели из 4 уровней: уровня СУБД (представленного промышленной СУБД), серверного, транспортного и агентского, причем дополнительным уровнем архитектуры АСУС является прикладной, включающий в себя приложения, использующие ОЯ.
Следующие параграфы посвящены детализации архитектуры и интерфейсов транспортного и серверного уровней. На транспортном уровне, с использованием модели однородной сети с клиент-серверными соединениями разрабатывается модель, поддерживающая кластеры серверов на основе введения понятий кластера как множества серверов, соединений «клиент-кластер», как множества клиент-серверных соединений, и «сервер-сервер». Соответствующая модель взаимодействия разрабатывается на основе обмена пакетами по соединениям указанного типа и воплощается в архитектуре с объектами и интерфейсами, отвечающей спецификации СОМ.
В рамках описания архитектуры серверного уровня приводятся диаграммы процессов с учетом кластерной архитектуры, методы доступа к хранимым данным и их обработки, основанные на полученных во II главе моделях и включающие в себя множественно-навигационные операции выборки данных типа SELECT-FETCH с последующим преобразованием в объекты и множественные операции модификаций типа INSERT, UPDATE, DELETE с использованием оптимизируемых скриптов, а также описание объектов внутреннего состояния и управления ими. в том числе основные алгоритмы динамической диагностики системы связи. Также описываются принципы протоколов пакетного интерфейса сервера для взаимодействия с верхними уровнями архитектуры и внутри кластера.
Четвертая глава посвящена результатам реализации программного комплекса операционного ядра. Описывается состав программного комплекса, назначение и основные характеристики входящих в него программных средств и баз данных, указываются применявшиеся средства разработки, отладки и поддержки программного комплекса.
Далее описываются функции и структура реализации модулей: реляционная структура БД по системе связи, структура объектов и полное описание интерфейсов программного модуля сетевого агента, реализующего транспортный уровень, приемы реализации основного алгоритма работы и методов доступа к данным программного модуля сервера БД (реализующего серверный уровень), а также описание его пакетного интерфейса, наконец, назначение и функции вспомогательных программных модулей и полная структура БД протоколирования.
Делается вывод о реализации всех уровей архитектуры ОЯ, за исключением агентского, который не является существенным для функциональной полноты реализации.
В пятой главе описываются результаты экспериметнальной проверки и внедрения разработанного ПК в качестве основы для опытного образца АСУС. Приводится общая схема реализованной АСУС с указанием задействованных пунктов управления. Проводится краткий анализ роли и характера использования разработанного автором ПК в полном составе задач. решаемых системой автоматизации. Демонстрируется сценарий взаимодействия в АСУС между ПК операционного ядра, прикладными программами оперативного управления и должностными лицами при отработке аварийной ситуации, как одного из важнейших контуров процесса оперативного управления связью. По представленным результатам делается вывод о соответствии реализованного программного обеспечения поставленной задаче.
Опубликование и апробация результатов работы. Результаты, представленные в данной диссертационной работе, докладывались и обсуждались на VI международной конференции «Актуальные проблемы информатики» (Минск, 1998), научной сессии МИФИ'99, I международной конференции по компьютерным наукам и информационным технологиям CSIT99 (Москва. 1999). По результатам опубликованы тезисы докладов на конференциях Минск:98, Сочи'98, МИФИ'99, МИФИ'2000, а также расширенные тезисы докладов на конференциях CSIT99 (Москва), BIS'2000 (Познань), CSIT'2000 (Уфа) и статья в журнале «Приборы и системы управления'» (№ 9. 1998).
I Анализ моделей н методов управления данными в автоматизированных системах оперативного управления военной связью.
Программное обеспечение (ПО) управления данными для автоматизированных систем управления связью (АСУС) включает в себя программные средства, используемые для хранения данных, используемых в АСУС, поддержания их актуальности и целостности, а также для обеспечения доступа к этим данным других программных средств АСУС. Таким образом, ПО управления данными в АСУС как правило представляет собой систему предметно-специфического управления базой (ами) данных, обычно включающую в себя СУБД общего назначения, собственно базу (ы) данных и (опционально) предметно-ориентированные программные средства.
В первых трех пунктах настоящей главы исследуются особенности требований к ПО управления данными АСУС в условиях роста требований к современным системам связи, детализируется содержание вопросов разработки такого ПО, анализируются существующие подходы к решению этих вопросов в системах автоматизации управления связью, выделяются проблемы, остающиеся нерешенными.
Далее проводится краткий анализ современных достижений и тенденций в моделях и методах управления данными, касающихся проблемы разработки такого программного обеспечения для АСУС. На основании анализа требований к этому ПО, существующих решений и современных тенденций в этой области делается вывод об актуальности разработки нового поколения ПО управления данными АСУС, а также о целесообразности применения в ходе такой разработки новых моделей данных и архитектурных решений.
Выводы к главе V.
Итак, основным результатом экспериментальной проверки и внедрения ПК операционного ядра явилось создание на его основе реально действующей АСУС опытного образца и внедрение ее на пункте управления связью и Центральном узле связи Главного Штаба объединенных Войск ПВО и ВВС РФ.
Роль программного комплекса операционного ядра в АСУС состоит в обеспечении интерактивного доступа большинства прикладных задач к совместно используемым данным и координации на этой основе действий, выполняемых прикладными задачами, в постоянном режиме.
Использование разработанной автором новой концептуальной модели объекта управления позволило реализовать на серверном уровне ОЯ процесс динамической диагностики, играющий важную роль в контуре управления. Реализация в БД разработанной автором концептуальной модели результатов планирования позволила создать комплекс программ по реализации вариантов резервирования, обеспечивающий унифицированные сценарии работы пользователя и взаимодействия с другими программными средствами. Реализованное автором сетевое программное обеспечение, являющееся частью ПК ОЯ, является универсальным и используется различными программными средствами АСУС для связи между процессами. Использование кластерного решения на основе этого сетевого ПО повышает отказоустойчивость и производительность серверного уровня ОЯ. Благодаря архитектуре с логической централизацией данных и обеспечением унифицированной системы интерфейсов доступа к ним, ОЯ создает основу для масштабирования и реконфигурирования системных решений АСУС, реинжиниринга составляющих ее приложений, и, таким образом, создания первого в России типового решения АСУС для внедрения на различных военных узлах связи на основе разработанного опытного образца.
Результаты экспериментальной проверки и внедрения подтверждают соответствие реализованного программного комплекса поставленной задаче.
Заключение
.
Целью настоящей диссертационной работы являлось исследование и реализация моделей и методов управления данными в программных комплексах автоматизированных систем управления связью (АСУС), направленных на построение программного обеспечения (ПО), поддерживающего хранение, актуальность и целостность данных, совместно используемых программными средствами АСУС, а также доступ программных средств (приложений) к этим данным.
В результате исследований по созданию программного обеспечения управления данными для АСУС были получены следующие результаты:
1. Исследованы особенности предметной области и требований к ПО управления данными для АСУС, обоснованы следующие требования: независимость реализации от приложений, логическая централизация данных, более полный учет особенностей предметной области в используемых моделях, масштабируемость, поддержка открытых внешних интерфейсов на основе единой интерфейсной модели, повышенная готовность серверного обеспечения.
2. Исследована и формализована обобщенная модель процесса управления связью, представляющая его в виде взаимодействия между объектом управления, системой управления и внешним миром на основе состояний, событий и численных оценок и описывающая таким образом характер использования и взаимосвязь между моделями этих объектов.
3. Исследована известная модель entity-relationship, а также ее расширения и построено расширение, обладающее следующими характерными свойствами: иерархии наследования как для сущностей, так и для связей, множественное наследование для сущностей, защита от наследования, абстрактные объекты, расширенные понятия слабой сущности, кардинальности, обязательности связей, поддержка встроенной глобальной идентифицируемости и полиморфизма на основе позднего связывания.
4. Исследована и формализована новая концептуальная модель системы связи, более полно отражающая ее структурные особенности, связанные с иерархиями, и учитывающая возможности автоматического контроля путем введения универсального атрибута состояния и понятия точки контроля.
5. Исследована и формализована универсальная концептуальная модель результирующих данных планирования связи в форме сценариев действий, интегрирующая различные выходные документы планирования.
6. На основе анализа обоснованных ранее требований и современных распределенных архитектур, обоснована целесообразность разработки программного обеспечения управления данными в АСУС на основе архитектуры клиент-серверного типа с промежуточным слоем, обеспечивающим организацию кластерных структур и связь клиентов с ними, а также внешними интерфейсами, отвечающими распространенным спецификациям, применяемым в открытых системах.
7. Построена модель сетевого взаимодействия «клиент-кластер», основанная на модели однородной сети с бинарными соединениями, обеспечивающая организацию и управление кластерами серверных процессов для повышения их результирующей готовности.
8. В соответствии с предыдущими результатами, разработана общая архитектура операционного ядра АСУС в виде четырехуровневой системы клиент-серверного типа с открытыми внешними интерфейсами и поддержкой кластеров серверных процессов средствами промежуточного слоя.
9. Разработана архитектура и интерфейсы транспортного уровня операционного ядра, реализующего модели с соединениями «клиент-сервер», «клиент-кластер» и без соединения, в рамках спецификации СОМ.
10. Разработана архитектура и интерфейсы серверного уровня ядра, поддерживающего кластерную модель и реализующего предметно-специфические функции управления данными на основе полученных концептуальных моделей.
11. Реализован программный комплекс операционного ядра, включающий в себя базу данных по системе связи под управлением СУБД MS SQL Server 7.0, программный модуль сервера базы данных, программный модуль сетевого агента, вспомогательные программные модули протоколирования событий, доступа к базам данных, отображения табличной информации и базу данных протоколирования. Все программные модули реализованы на языке С++.
Заключительным результатом настоящей работы явилась реализация опытного образца.
АСУС на основе созданного программного комплекса и внедрение этой системы на пункте управления связью и Центральном узле связи Главного Штаба объединенных Войск ПВО и.
ВСС РФ. Практическая значимость выполненной работы подтверждается актом о внедрении.
