автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Мониторинг и управление территориально-распределенными системами через World Wide Web

Введение.стр.

Глава

Основные проблемы управления территориально распределенными системами и возможности WWW для их разрешения.стр.

1.1. Типичные территориально распределенные системы и постановка задачи их мониторинга и управления.стр.

1.2. Основные требования к системам сетевого управления.стр.

1.3. Применение Интернет и WWW. Покрытие шкалы требований к системам сетевого управления.стр.

1.4. Концептульная основа применения WWW для мониторинга и управления.

Глава

Модель системы мониторинга и управления через WWW.стр.

2.1. ICO формализм.стр.

2.2. ICO модель системы мониторинга и управления.стр.

2.3. Модель мониторинга и управления системой управления воздушным движением.стр.

2.4 Анализ модели.стр.

Глава

Основные проблемы мониторинга и управления территориально распределенными системами.стр.

3.1. Алгоритмы компьютерной реализации.стр.

3.2. Анализ временных затрат.стр.

3.3. Анализ пропускной способности сети.стр.

3.4. Анализ безопасности транзакций.стр.

Глава 4.

Средства реализации системы мониторинга и управления с использованием современных технологий.стр.

4.1. Технологии и библиотеки для реализации системы мониторинга и упр ав л ения.стр

4.2. Встроенное программное обеспечение.стр.

4.3. Средства для реализации WWW мониторинга и управления системы управления воздушным движением.стр.17<

4.4. Методика реализации системы мониторинга и управления через WWW.

Управление техническими системами является одной из важнейших задач технотронного общества. Практические операции, от регулировки давления в паровом котле до орбитальной группировки космических аппаратов, всегда служили питательной средой для науки об управлении техническими системами. Во многих случаях управление системами невозможно без участия человека. В таких системах, называемых автоматизированными системами управления, необходимо иметь возможность извлекать информацию о состоянии управляемого объекта и представлять ее в виде доступном для понимания человека-оператора (процесс мониторинга). Также важно обеспечить механизм обратной связи, то есть аппарат воздействия оператора на управляемый объект (процесс управления). Каждый новый класс управляемых объектов требует создания адекватных систем мониторинга и управления, алгоритмов мониторинга и управления и технологий их реализации.

Если объектом управления является совокупность технических объектов, разнесенных на значительные расстояния друг от друга (территориально-распределенные системы), то управление таким объектом становится сложнее. Это связано как с проблемами параллельных процессов, так и с усложненной архитектурой системы в целом. Примерами террториально-распределенных управляемых объектов могут служить энергетическая система (электростанции, линии электропередач, трансформаторные подстанции и т.д.), газопроводы, нефтепроводы, железные дороги, крупные производственные комплексы и даже оборонные объекты (например, система управления полком ПВО).

При проектировании средств мониторинга и управления территориально-распределенными системами важнейшей задачей становится проблема организации доставки собранной информации оператору и передачи от оператора управляющих воздействий. Как правило, для решения этой задачи строится специальная сеть, связывающая датчики, сенсоры и т.п. устройства сбора информации и исполнения управляющих воздействий с центром управления. Вопрос о методах и технологии построения такой сети является актуальной технической задачей.

В наше время, сети, построенные на основе протоколов TCP/IP, становятся de facto стандартом, как для систем масштаба предприятия (Intranet), так и для глобальных проектов (Extranet)[8]. По управлению техническими объектами в таких сетях уже существуют стандартизованные решения. В частности, широкое распространение получили протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) и концепция TMN (Telecommunication Management Network)[50]. Однако, для управления возможно использование и других сервисов TCP/IP сетей, например, World Wide Web(WWW). Мониторинг и управление через WWW представляют особый научный интерес, поскольку к настоящему моменту не существует каких-либо серьезных исследований в этой области. Цель работы

Разработать методы анализа и проектирования систем мониторинга и управления через WWW с использованием современных технологий. Построить модели таких систем. Провести сравнительный анализ вариантов построения, выработать рекомендации проектировщику и разработчику. Задачи работы

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведено исследование современных возможностей мониторинга и управления электронных устройств в IP-сетях.

2. Оценены способности WWW к реализации на ее основе системы сетевого мониторинга и управления.

3. Построена абстрактная ICO (Interactive Cooperative Objects) модель системы мониторинга и управления через WWW.

4. Исследованы проблемы скорости передачи и обработки информации в системе.

5. Разработаны методы практической реализации модели.

6. Проведен анализ конкретных примеров системы сетевого мониторинга и управления через WWW.

Положения выносимые на защиту

1. Математическая ICO модель системы сетевого мониторинга и управления через WWW.

2. Алгоритмы компьютерных программ для реализации модели.

3. Методика разработки систем сетевого мониторинга и управления через WWW.

4. Результаты исследования по выбору базовых средств реализации системы сетевого мониторинга и управления через WWW.

Научная новизна

В работе получены количественные соотношения, позволяющие оценить целесообразность реализации систем сетевого мониторинга и управления через WWW. Предложен алгоритм построения формальной модели системы мониторинга и управления, расчета ресурсных затрат на WWW- сервер и временных затрат на каждую транзакцию. Произведен анализ различных протоколов сетевого мониторинга и, на его основе, даны рекомендации по их использованию.

Обоснованность и достоверность

Результаты работы подтверждаются, с одной стороны, известными теориями (теорией сетей Петри при построении ICO модели), с другой стороны -данными, полученными с помощью написания тестовых примеров.

Практическая ценность

1. Сформулированы основные этапы разработки системы мониторинга и управления территориально-распределенными системами через WWW.

2. Получены формулы для анализа вариантов реализации системы.

3. На основании концепции построения системы мониторинга и управления через WWW разработана архитектура системы управления воздушным движением.

4. Модель взаимодействия сетевых элементов через WWW реализована в программном обеспечении системы управления и контроля радиорелейного оборудования "Аврора 5800".

Апробация работы

Основные и промежуточные результаты работы докладывались на следующих международных конференциях и семинарах:

Computer Technologies in Education", Kiev, Ukraine, September 14-17, 1993;

24-я международная конференция "Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе", Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, май 1997г.; 3-я международная конференция "Информационные ресурсы. Интеграция. Технологии." (НТИ-97), ноябрь 26-28, 1997, Москва;

Всероссийская конференция Internet в регионах России (RELARN'97), 16-17 декабря 1997 г., Нижний Новгород;

25-я международная конференция "Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе", Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 15-24 мая 1998г.

Публикации

Основные материалы диссертации опубликованы в 7 работах [10-15] и [39]. Структура и объём

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы её цель и задачи, определена новизна полученных результатов и их практическая значимость, обоснована их достоверность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе освещена актуальность проблемы мониторинга и управления территориально-распределенными системами, приведены примеры таких систем и требования к ним. Далее даны основные понятия по системам управления сетями и предложено применение World Wide Web для мониторинга и управления. Доказано, что системы мониторинга и управления через WWW перспективны и имеют ряд преимуществ перед традиционными системами. В частности:

1. Нет необходимости в приобретении сложной компьютерной техники для установки менеджера.

2. Возможность вносить изменения в код менеджера одновременно с внесением изменений в код агента, так как и то и другое находится на одном сайте.

3. Возможность самоконфигурирования средств управления менеджерами при изменении конфигурации подотчетных менеджеров.

4. Простота доступа к менеджеру, отсутствие сложной процедуры инсталляции и поддержки.

5. Многоплатформенность агентов и менеджеров.

6. Большие функциональные возможности WWW.

В конце главы приводятся основные принципы построения системы мониторинга и управления через WWW с применением современных технологий Java апплетов, CGI-скриптов, Active X компонент.

Во второй главе речь идет о моделях системы мониторинга и управления через WWW. Для построения модели привлекается основанный на теории сетей Петри ICO формализм. С его помощью удается создать ICO модели взаимодействующих классов, совместно представляющих рассматриваемую систему мониторинга и управления.

Моделирование системы мониторинга и управления с помощью ICO формализма обладает целым рядом несомненных достоинств:

A) Графическое изображение системы позволяет легко доносить смысл архитектуры и до дизайнеров, и до программистов, и до конечных пользователей. Более того, все операции над объектами представлены настолько подробно насколько это возможно.

Б) Один и тот же формализм может использоваться на разных этапах разработки: при составлении спецификаций и симуляции реальных процессов при тестировании.

B) Полное описание управляющих воздействий позволяет оценить процессы, возникающие в системе при взаимодействии частей приложения или нескольких приложений.

Г) Механизм композиции позволяет моделировать систему снизу - вверх. При этом, механизм уточнения так же существует и дает возможность строить систему сверху - вниз.

При анализе моделей делаются подробные оценки унитарности и кооперированности системы. Оценка унитарности касается поведения ICO объекта при "надежных и крепких" взаимоотношениях с другими объектами, и позволяет выявить:

- попадание в тупиковую ситуацию;

- реинтерабельность;

- доступность команд.

Оценка кооперированности касается поведения набора ICO объектов в среде клиент - сервер. Она показывает, насколько эффективно сервер выполняет потребности клиентов.

В третьей главе рассмотрены вопросы построения оптимальных алгоритмов работы системы мониторинга и управления через WWW и проведен их анализ. Предложены два основных подхода - однородных и гибридных систем. Если алгоритм работы системы таков, что HTTP остается рабочим протоком весь сеанс мониторинга - система однородная. В случае привлечения других протоколов того же уровня - система гибридная.

Проведено сравнение однородных и гибридных систем на функциональном уровне. Для иллюстрации использован алгоритм функционирования мониторинга системы управления воздушным движением.

Выведены формулы расчета быстродействия системы, получены оценки скорости транзакций и компьютерной обработки информации. Исходя из приведенных формул, можно сделать вывод, что временные затраты главным образом зависят от двух составляющих:

- времени передачи по физическому соединению и

- времени исполнения программы на сервере.

Дана оценка пропускной способности каналов связи в системе мониторинга и управления. Приведены формулы для расчетов критических значений.

Подробно рассмотрен вопрос реализации безопасности транзакций, по этому критерию проведено сравнение двух основных протоколов :SSL и SNMP v.3.

В четвертой главе основное внимание уделено средствам реализации рассматриваемых систем мониторинга и управления через WWW. Сделан анализ алгоритмического языка Java на предмет использования его при написании таких систем. Освещены вопросы использования различных технологий и подходов, уже применяемых в программировании и предлагаемых к использованию в реализации системы мониторинга через WWW.

Особое внимание уделено:

1. Языку Java.

2. Операционным системам реального времени.

3. Встраиваемым WWW серверам.

Результаты исследований использованы для подбора необходимых средств реализации для создания системы мониторинга системы управления воздушным движением.

В заключении отмечены основные достижения, описанные в представленной работе.

В приложениях даны листинги тестовых программ и пояснения к некоторым актуальным проблемам, рассматриваемым в основном тексте диссертации.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Наиболее универсальным языком для написания систем мониторинга и управления через WWW является Java. На нем реально создавать, как апплеты, так и CGI-скрипты и Active X элементы. Поэтому рекомендуется при разработке выбрать в качестве базового именно его.

Для корректной реализации идей, изложенных в главах 1-3, логично использовать уже апробированные технологии. Выбор достаточно широк, от простеньких библиотек Java классов и CGI-функций, до мощных концепций CORBA и WBEM.

При реализации необходимо использовать специальные знания об особенностях ОС и www серверов. Главным образом, это связано с понятием встроенных систем - высоко производительных компактных комплексов, предназначенных для функционирования в аппаратуре.

На примере системы управления воздушным движением показано методика подбора средств реализации под условия конкретного проекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена проблеме проектирования и реализации систем мониторинга и управления территориально-распределенными системами с помощью WWW. Эта проблема имеет практически важное приложение при создании комплексов, состоящих из большого количества элементов, состояние которых должно протоколироваться, а характеристики дистанционно изменяться.

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Доказана принципиальная возможность построения системы мониторинга и управления через WWW, удовлетворяющая всем требованиям, предъявляемым к системам управления сетями.

2.Построена ICO модель системы мониторинга и управления через WWW. При этом рассмотрены несколько вариантов взаимодействия компонент модели.

3.Проведен анализ ICO модели на унитарность и кооперированность.

4.Разработаны алгоритмы поведения системы мониторинга и управления в случаях использования различных сетевых протоколов.

5.Проведена оценка скоростей передачи и обработки мониторинговой информации по сети. Даны рекомендации, которые следует учитывать при разработке подобных систем.

6.Рассмотрены и подвергнуты сравнительному анализу системы безопасности наиболее перспективных протоколов, используемых для мониторинга и управления.

7.Разработана методика создания систем мониторинга и управления через WWW.

Полученные результаты публиковались в различных изданиях и докладывались ' на конференциях различного уровня[10-15] [39].

1. Бадд, Тимоти "Объектно-ориентированное программирование в действии", Спб.: Питер, 1997

2. Баженова И.Ю. "Язык программирования Java", М:Диалог-МИФИ, 1997

3. Брукс Ф.П. мл. "Как проектируются и создаются программные комплексы" М.: Наука, 1979

4. Буч, Гради "Объектно-ориентированное проектирование", М: Конкорд, 1992

5. Винер, Норберт "Кибернетика", М:"Советсткое радио", 1968

6. Волш, Аарон И. "Основы программирования на Java для World Wide Web", Киев: Диалектика, 1996

7. Деннинг, Адам "Active X для Windows 95, Windows NT", Спб: Питер, 1998

8. Кин, Питер "Суета вокруг IP" в "Computer world Россия" 11 августа 1998 года

9. Корн Г. и Корн Т. "Справочник по математике", М: Наука, 1973 Ю.Крылов В.В., Крылов С.В., Али Пархидэ "Мониторинг и

10. Управление Техническими объектами через World Wide Web" -"Системы обработки информации и управления."- Юбилейныймежвузовский сборник научных трудов: 80 лет НГТУ, Нижний Новгород, 1997, стр. 101-106.

11. Крылов С.В. "Язык Java и безопасность глобальных сетей."-Труды 3-й международной конференции "Информационные ресурсы. Интеграция. Технологии." (НТИ-97), Ноябрь 26-28, 1997, Москва, стр. 125-126.

12. Крылов С.В. "Обеспечение безопасности Java- апплетов." -Труды Всероссийской конференции "Internet в регионах России (RELARN'97)", 16-17 декабря 1997 г., Нижний Новгород, стр.8999.

13. Крылов С.В. "Язык HTML для написания WWW страниц", Нижний Новгород: НГТУ, 1996, 88 стр.

14. Никонов В.В., Подгурский Ю.Е. "Применение сетей Петри" в "Зарубежная Радиоэлектроника", ноябрь ,1986.

15. Никонов В.В. , Подгурский Ю.Е. "Сети Петри. Теория. Применение." в "Зарубежная Радиоэлектроника", апрель ,1984.

16. Нортон, Патрик "Java (справочное руководство)", М: Бином, 1996

17. Растригин JI.A. "Современные принципы управления сложными объектами", М:"Советское радио", 1980

18. Роджерсон, Дейл "Основы COM", М: Microsoft Press "Русская редакция" ТОО "Channel Trading Ltd", 199821. "Справочник по теории вероятностей и математической статистике" В.С.Королюк и др. М.:Наука, 1985

19. Уркухарт, Кен "Открытое будущее Java" в "Компьютеруик -Москва" 16 октября 1997 года

20. Феррари Д. "Оценка производительности вычислительных систем" М., 1981

21. Холстед М.Х. "Начала науки о программах", М: Финансы и статистика, 1981

22. Шэнк, Джефри Д. "Технология клиент-сервер и ее приложения", М: ЛОРИ, 1995

23. Шэннон К.Э. "Работы по теории информации и кибернетике", М.: ИЛ, 1963.

24. Якубайтис Э.А. "Информатика Электроника - Сети", М:Финансы и статистика, 1989

25. Ash, David W. and Dabija Vlad G. "Real Time Intelligent Agents: To Plan or Not to Plan", prentice Hall, 1999

26. Beizer B. "Analytical techniques for the statistical evaluation of program running time" AFIPS Conf. Proc. 37(FJCC))

27. Bigus, Joseph P. and Bigus, Jennifer "Constructing Intelligent Agents With Java: A Programmer's Guide to Smarter Applications", John Wiley & Sons, 199731 .Bradshaw, Jeffrey M. "Software Agents", MIT Press, 1997

28. Castro, Elozabeth "Perl and CGI for the World Wide Web: Visual Quickstart Guide", Addison-Wesley, 1998

29. Cockayne, William R. and Zyda, Michael "Mobile Agents", Prentice Hill, 1997

30. Comer , Douglas E. and Stevens, David L. "Internetworking with TCP/IP", Prentice-Hall Inc., USA, 1994

31. Fagin, Ronald "Reasoning About Knowledge", MIT Press, 1995

32. Harrison, Colin "Agent Sourcebook: A Complete Guide to Desktop, Internet, and Intranet Agents", John Wiley & Sons, 1997

33. Huhns , Michael N. "Readings in Agents", Morgan Kaufman Publishers, 1998

34. Jennings , Nicholas R. "Agent Technology: Foundations, Applications and Markets", Springer Verlag, 1998

35. Klochkov D., Krylov S., Kostrukov V. "The main aspects of hypermedia creation and development as educational process". -Papers of "Computer Technologies in Education", Kiev, Ukraine, September 14-17, 1993

36. Knapik, Michael and Johnson, Jay B. "Developing Intillegent Agents for Distributed Systems: Exploring Architecture, Techologies and Applications", Computing McGraw-Hill, 1997

37. Krupczak, Bobby , Calvert, Kenneth L., Ammar, Mostafa H. "Implementing Communication Protocols in Java" in "IEEE Communications Magazine" October 1998 Vol. 36 No. 10

38. McGraw, Gary "Securing Java : Getting Down to Business With Mobile Code", edition of Doctor Dobb's Journal, 1999

39. Milojicic, Dejan S. "Mobility: Processes, Computers and Agents", Addison-Wesley, 199944.0akes, Scott "Java Security", O'Reilly & Associates, 1998

40. Palanque, Philippe and Paterno, Fabio "Formal Methods in Human-Computer Interaction", Springer, London, 1998

41. Pope, Alan "The CORBA reference guide : understanding the common object request broker architecture", Addison-Wesley, 1998

42. Redlich, Jens-Peter , Suzuki, Masaaki, Weinstein, Stephen "Distributed Object Technology for Networking" in "IEEE Communications Magazine" October 1998 Vol. 36 No. 10

43. Rowe, Jeff "Building Internet Database Servers with CGI", New Riders Publishing, USA, 1996

44. Skarmeas, Nikolaos "Agents Objects With Knowledge Base State", Imperial College Pr, 1999

45. Stallings, William "SNMP, SNMPv2, SNMPv3, and RMON 1 and 2", Addison-Wesley, 1999

46. Vigna, Giovanni "Mobile Agents and Security", Springer Verlag, 1998

47. Waite , Mitchell and Lafore, Robert "Data Structures and Algorithms in Java", Waite Group Press, 1998

48. Watson, Mark "Programming Intelligent Agents for the Internet", Computing McGraw-Hill, 1996

49. Watson, Mark "Intelligent Java Applications for the Internet and Intranets", Morgan Kaufman Publishers, 1997