автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Оценка эффективности взаимодействия разнородных сетей ЭВМ при создании федеральной информационной системы Госавтоинспекции

С!?-е-

Гс-■э;

На правах рукописи

ВЯТИЧ ВЯЧЕСЛАВ РАТМИРОВИЧ

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

РАЗНОРОДНЫХ СЕТЕЙ ЭВМ ПРИ СОЗДАНИИ ФЕДЕРАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ГОСАВТОИНСПЕКЦИИ

Специальность 05.13.13 - Вычислительные машины, комплексы,

системы и сети

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена на кафедре "Вычислительные системы и сета" Московского государственного ннсгитугаэдехгронивл и математики (Технического Университета).

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Капитанов В. Т. доктор технических наук, профессор Саюсонов Е. А.;

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Вишневский В. М.; кандидат технических н^х Якушин Л. А.

Ведущая организация - Научно-технический центр "Система" ФАПСИ при Президенте Российской Федерации.

на заседании диссертационного совета К 063.68.01 Московского государственного института электроники и математики (Технического Университета) по адресу, город Москва, Большой Трехевятгедьский переулок, дом 3/12 в зале Ученого совета.

С д иссертацией можно ознакомиться в библиотеке МШЭМ.

Зашита дкссергацидсостокгся" ОКтйЪрЯ 1997г. в 46°° часов

Автореферат разослан "_"

1997 г.

Ученый секретарь Совета К 063.68.01 к.хн„ доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

С развитием региональных автоматизированных систем ГАИ отмечается тенденция перехода к корпоративным сетям. Первой; реализованной в 1993-95 гг. в Госавтоинспекции в рамках Российской Федерации автоматизированной информационно-поисковой системой стала система розыска АМТС (АИПС "Розыск"), объединяющая все регионы России и обеспечивающая реализацию оперативного доступа в базу данных по телефонным и телеграфным каналам связи непосредственно с контрольных постов милиции и из регионов. Данная система существенно повысила результативность мероприятий по розыску транспорта. Дальнейшее повышение эффективности таких мероприятий связывается с организацией федеральных учетов зарегистрированного транспорта л водительских документов и созданием на их основе федеральной информационной системы. Автономность функционирования региональных автоматизированных информационных систем по учету транспорта и водительских документов и их разнородность приводит к проблемам установления подлинности документов и номерных агрегатов автотранспортных средств при их перерегистрации в других регионах России. Вместе с тем, проверка таких документов и номерных агрегатов по федеральным базам данных АИПС "Розыск" недостаточно эффективна, так как номера агрегатов АМТС могут быть изменены, а документыподделаны. Получение же информации с предыдущего местарепгстрации данного транспортного средства затруднено из-за отсутствия оперативного доступа в учетные базы данных других региональных информационных систем ГАИ. Все это, а также задачи оперативных служб требуют создания единой корпоративной вычислительной сети Госавтоинспекции. Развитие работ в данном направлении, представленное в диссертации, обусловливает актуальность тематики проводимых исследований.

Объектом исследования является федеральная информационная система, создаваемая на базе корпоративной вычислительной сети и предназначенная для информационной поддержки мероприятий ГАИ, связанных с регистрацпонно-

экзаменационной, оперативно-розыскной и другой деятельностью.

Цель и задача исследования.

Данная работа направлена на исследование проблем интеграции региональных вычислительных сетей и разработку решений по созданию федеральной информационной системы Госавтоинспекции (ФИС ГАИ).

Цель исследования - разработкамо дельно-ажоригмкческих аспектов создания ФИС ГАИ на базе корпоративной вычислительной сети.

Для достижения данной цели были постжкены и решены следуюгцие задачи:

анализ существующих распределенных вычислительных систем сбора и обработки информации в сфере Госавтоннспехцшт и других сферах, выбор на их основе возможных направлений создания ФИС;

разработка математических и имитационной моделей функционирования элементов системы дня расчетахарактерисгик и обоснованного выбора структуры системы;

анализ параметров, влияющих наэффективность системы ивыбор критериев качества функционирования системы;

разработка структуры системы и оценка принятых решений.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись элементы теории вероятностей, методы теории массового обслуживания, имитационного моделирования.

Научная новизна заключается в формировании объекта исследования, определении его свойств и особенностей функционирования, разработке аналитических и имитационной модели, атак же методологии получения решений, связанных с созданием федеральной, информационной системы на основе имитационного и математического моделирования.

Практическая значимость заключается в разработав математического, алгоритмического и программного обеспечения, позволяющего принимать обоснованные решения при создании корпоративной вычислительной сети федеральной информационной системы Госавгоинспекции.

Основные положения, выносимые ва защиту:

результаты анализа распределенных вычислительных систем сбора и обработки информации в сфере Госавгоинспекцннн других сферах, формирование критериев

качества, основных характеристик я параметров, влияющих на эффективность исследуемого объекта;

математические модели для выработки проектных решений; имитационная модель оценки эффективности функционирования основных компонентов ФИО;

организационно-технические и методологические решения по построению ФИС ГАИ.

Реализация работы. Разработанные автором решения использованы при создании и обеспечении ^ункпдонированияАИПС "Розыск", атак же лепи в основу проектных решений федеральной информационной системы ГАИ. -

Апробация работы. Основные положения данной диссертации обсуждались на межрегиональных совещаниях работников Госавтоинспекции (1994-1995 г.) я Междун^однойконфереш1щ"инфорь1азша1щяпра^охрант:е:шшхгасте^^ (июнь 1996 г., Москва, Академия МВД).

Публикация. По теме диссертации имеется 4 публикации. Структура я объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, изложенных на 143 страницах и содержит- 47 графиков, схем и таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованааггуальностъ темы, сформулированы цели и задами исследования.

В первой главе дается анализ современных зарубежных и отечественных средств и методов построения корпоративных информационных систем. Определяются задачи иособенности построения л: функционирования федеральной информационной системы Госавтошспекции, возможные ограничения. К основным задачам, решаемым ФИС ГАИ, относятся: формирование базы данных; входной контроль документов; хранение документов; корректировка документов; установление междокуменхных связей; составление и выполнение запрос овна поиск и обновление документов; анализ результатов запросов; построение заданных редакций документов; выявление и отображение связей документов; отображение

найденных документов; ведение архива документов; ведение массивов нормативно-справочной информации; управление доступом пользователей к системе; составление отчетов о состояяииинформацнонной базы; обеспечение безопасности, целостности и сохранности данных.

ФИС ГАИ - четырехуровневой комплекс, обеспечивающий возможность: на терминальном уровне - идентифицировать в реальном масштабе времени объекты учета; на региональном уровне -вести учет и регистрацию объектов, обеспечивать информационный обмен с ниже и вышестоящими уровнями в реальном масштабе времени; на межрегиональном и федеральном уровне - обеспечивать обмен информацией между регионами, в определенной степени дублировать федеральную базу данных. Схематично ФИС ГАИ можно представить в следующем виде:

При такой архитектуре системы особое внимание должно уделяться рационализации построения ФИС ГАИ.

Во второй главе рассматриваются формализованная постановка и решение задай рационализации логической структуры узлов ФИС на основе распределенной БД, функционирующей в информационно-коммуникационной сети. В качестве коммуникационной среды (в соответствии с принятыми в МВД решениями) использованы сети Х.25 общего пользования, коммутируемые телефонные линии (в том числе "Искра-2"), выделенные линии и каналы связи, коммутируемые телеграфные каналы сети АТ-50.

Существует мнсжестворазличных реализаций вюмпоненгов системы на о слове корпоративной сети с учетом имеющихся в МВД возможностей. Имеется ряд факторов, влияющих на выбор решения и зависимых от множества параметров реализации системы. Показано, что задача рационализации структуры ФИС ГАИ может рассматриваться как задача многокритериальной оптимизации различных реализаций системы.

В многокритериальной задаче критерий оптимизации является вектором Q(X) = (q,(X), ... ,qm(X)) и задача состоит в минимизации всех m частных критериев

q;(X) -> min, 1 = 1, ... ,m,

XeQ

где Q -множество допустимых значений X.

Известно, что этому условию, при введении соответствующих понятий предпочтительности, удовлетворяет ряд значений Q* g Q, образующих множество Парето, которое содержит решение многокритериальной задачи.

Учитывая специфику задач решаемых Госавггоянспекцией, можно выделил, и ранжировать по степени значимости четыре основных фактора, влияющих на принятие решений при оптимизации структуры ФИС ГАИ: среднее время обработки запроса (Tq); удельные затрата на пересижу запроса и получение ответа (С t); вероятность неполной обработки запроса при введении временных ограничений наобслуживаиие (Рн); пороговое количество попыток (п) установления соединения с заданной вероятностью Рс.

Время Т можно представить в виде:

т, = тс + т0 = р^;]>Х1+т0>

¡=1

где Тс-среднее время установления: соединения с узлом ФИС, То - среднее время обработки запроса в узле, включая время на пересылку информации по каналам

I

связи, тс - среднее время затрачиваемое на установление соединения с одной попытки, Рч л Рь- вероятности обслуживания и блокировки запроса соответственно.

Пороговое число попыток установления соединения, обеспечивающее заданную вероятность рс:

1П(1-Ре) = 1П(1-Р«)

1п(Рь) Ь(1-Рч)'

Характеристики Рч, Т0 и Рн для различных реализаций системы определялись с помощью моделирования процесса обработки запросов в узлах ФИС.

Исследование особенностей функционирования системы показало, что в качестве математической модели для оценки характеристик можно использовать многофазную систему массового обслуживания с одним прибором на первой фазе (сервер) и несколькими приборами на второй (каналы) и с блокировкой. При этом входящие потоки полагались пуассоновскими, а время обслуживания -распределенным по экспоненциальному закону.

Анализ операций по регистрации транспорта в ГАИ и обработка статистических данных, полученных в регионах, позволили оценить потенциальную интенсивность запросов в узлах межрегионального уровня, которая в настоящее время составит 0,035 ед1с, а. с учетом расширения задан, решаемых ФИС ГАИ - 0,07 ел/с.

В третьей главе показано, что аналитическое моделирование не дает возможность учесть такие о собенностипараметров системы как нестационарно сть, сложные законы распределения.

Дня проведения более точных расчетов разработана имитационная модель взаимодействия основных компонентов ФИС и представлены результаты анализа

полученных характеристик для различных реализаций системы.

Функционально модель ФИС ГАИ представлена следующим образом:

Я, С}, ^Рь, : а

Однозадачный режим обслуживания

МО,,-,0с)

Многозадачный режим обслуживания

Для; моделирования разработан программный комплекс, состоящий из отдельных функциональных модулей, имитирующих определенные процессы протекающие в системе:

♦ генерация входного потоказапросов по каждому каналу с интенсивностью X 1 (1 - номер канала) и случайным выбором типа запроса, подчиняющимся равномерному закону распределения и заданным соотношением поисковых и обновляющих запросов;

4 установление режима обслуживания и порядка поступления запросов на

обслуживающие устройства (сервер, канал);

♦ создание в однозадачном режиме внешних очередей запросов для каналов, содержащих логические подканалы и общей очереди для всех каналов с определением алгоритмов обслуживания очередей и расчетом средней продолжительно ста ожидания в каждой очереди;

♦ определение количества одновременно обслуживаемых запросов на каждом устройстве (сервер, канал) с параметрическим пересчетом средней продолжительности обслуживания;

♦ расчет выходных параметров модели.

Исходные данные для моделирования: время моделирования ; шаг моделирования; число узлов; число каналов в узле; тип канала (0 - коммутируемый ТФ, 1 - Х25, 2 - "Серийный номер"); интенсивность потока запросов в канале; среднее время передачи запроса и ответа по каналу, среднее время передачи результатов обновления по каналу, число логических подканалов в канале; режим обслуживания сервером (0 - однозадачный, 1 - многозадачный); ограничение на длительность обслуживания запроса сервером; вероятность запросана обновление БД; среднее время загрузки сервера на обновление БД; среднее время загрузки сервера на поиск в БД.

В результате моделирования определяются следующие параметры модели по каждому каналу и узлу в целом: количество поступивших запросов; количество и процент обслуженных (в том числе не полностью) запросов; среднее время нахождения запроса в очереди на обслуживание; среднее время обслуживания запроса

Моделирование проводилось для различного типаи числа каналов в диапазоне интенсивностей потока запросов от 0,001 до 0,18 ед/с при однозадачном и многозадачном режимах обслуживания.

При моделировании использовались характеристики, полученные в ходе эксплуатации АИПС "Розыск" л первой очереди ФИС ГАИ: вероятность запросов на обновление БД - 0,4; средние длительности обработки запросов на обновление БД - 20 с, поискового запроса - 5 с; средняя длительность передачи результатов запроса по каналам -10 с.

Ниже приведены зависимости, полученные для канала сети Х25.

р„ (%)

Л О/с)

оосэсзооооод ^Ьаааасзсза

□ ООО

Зависимость вероятности обработки запроса от интенсивности посту пления запросов для различного числа (п) подканалов канала >25

ад

Зависиг/осгъ средней длигельнсхгтиобсгту/>твания запроса от интенсивности гоступлениазапросов д ля различного числа (п) подканалов канала >25 /

ра (%)

100 I-90 -80 -70 -60 -60 -40 -30 -20 -10 --

-а—■—

Ч-(-

ч—ь

н—н

Н-1-

м м ооо

Н-1Л (1/с)

1-однозадачный режим обслуживания сервером без о гранича ни я на длительность обслуживания;

2-однозадачныИ режим о белу живания сервером с ограничением на длительность обслуживания:

3 - много з ада чный режим обе луживаниясэрвером с о граничением на длительность обслуживания.

Зависимость вероятности обработки запроса от интенсивности их поступления дляканала Х25

Т0(с)

1 - однозадачный режим обслуживания сервером без ограничения на длительность обслуживания:

2- одноз а дачный режим обслуживания сервером с ограничением на длительность обслуживания;

3 - многозадачный режим о белу живания сервером с ограничением на длительность обслуживания.

Зависимость среднего времени обслуживания з апроса от интенсивности входного потока запросов для канала Х25

На основании полученных при моделировании данных, а также экспертных оценок для оптимизации были отобраны семь различных моделей построения коммуникаций для узлов ФИС ГАИ:

1-8 отдельных коммутируемых телефонных каналов;

2-8 коммутируемых телефонных каналов типа "серийный номер";

3-16 отдельных коммутируемых телефонных каналов;

4 -16 коммутируемых телефонных каналов типа "серийный номер";

5-1 канал сети с коммутацией пакетов "Спринт" с 16-ю логическими подканалами (обеспечиваются платой EICON);

б -1 канал сети"Спрштг" и 8 отдельных коммутируемых телеф онных каналов;

7-1 канал сети "Спринт" и 8 коммутируемых телефонных каналов типа "серийный номер";

Моделирование проводилось для четырех режимов обслуживания запросов сервером:

однозадачный режим с ограничением на длительно сть обслуживания (ОСО);

то же, но без ограничения (ОБО);

многозадачный режим с ограничением на длительность обслуживания (МСО);

то же, но без ограничения (МБО).

Ранжирование реализаций узлов ФИС ГАИ проводилось по четырем параметрам: Тч, Ct, Р„ и п. Алгоритм ранжирования базировался на формировании трупп эквивалентности с последующей сортировкой внутри каждой группы.

Анализ результатов ранжирования моделей узлов ФИС ГАИ показал, что для двух значений интенсивности входного потока запросов (А.=0,035 и 1=0,07 ед/с) предпочтгггельлее является модель 7МСО. Аналогичные результаты получены дня модели 7МБО. Неплохие результаты могут быть получены для моделей 5МСО и 5МБО.

Четвертая глава посвященавопросам реализации компонентов ФИС ГАИ на основе результатов, полученных в предыдущих главах. Реализация узлов межрегионального уровня системы базируется на модели 7МСО.

На основании анализа функционирования региональных информационных систем ГАИ определен состав основных реквизитов распределенной БД

межрегионального уровня. Разработан формат транспортных файлов для организации запросов из различных уровней системы. В качестве среды, обеспечивающей многозадачный многопользовательский режим обслуживания запросов использована операционная система OS/2 и СУБД ADABAS. Локальные вычислительные сети различных уровней системы организованы на основе операционной среды NetWare 4.11 фирмы Novell. В качестве транспортной среды межрегионального уровня, позволяющей получить характеристики модели 7МСО, используются сети "Спринт", "Роспак" п"Искра-2". В качестве серверов БД в узлах межрегионального уровня используются суперсерверы ES5000 и М40 фирмы Tricord, позволяющие обеспечить необходимую производительность системы. Удаленный до ступ организован с помощью пакета Group 'Wise фирмыКоуеН, атакже специально разработанных программных средств.

В настоящее время функционируют два межрегиональных центра системы -"Северо-запад" и "Центр", обслуживающих 22 региона России. Распределенная база данных по учету зарегистрированного транспорта содержит 7300000 записей.. В 1фоцессеопышойзвЕплуатациипостроешой корпоративной вычислительной сети установлено, что основные ее характеристики находятся в диапазоне расчетных значений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ информационных систем ГАИ и сложившейся ситуации по розыску транспорта показал, что дальнейшее повышение эффективности розыскных мероприятий связывается с организацией федеральныхучетов зарегистрированного транспорта и водительских документов и созданием на их основе федеральной информационной системы.

2. Накопленный опьп; кжотечестаенныйтзки зарубежный, дал возможность сформировать спектр возможных решений, связанных с созданием системы, с учетом адаптации к данной предметной области. Вместе с тем, требуется проведение специального исследования, направленного на анализ функционирования рассматриваемой сферы деятельности, выработку концептуальных решений, принимая во внимание соответствующие ограничения, налагаемые предметной

областью.

3. Проведенный анализ операций по регистрация транспорта в ГАИ позволил определить потенциальную интенсивно сп запросовк федеральным учетам, которая составила 0,035 1/с, а с учетом расширения задач, решаемых системой может достигнуть величины 0,07 1/с.

4. Проведен анализ характеристик, влияющих на эффективность системы, который позволил установить приоритетность четырех наиболее существенных: среднее время обработки запроса (Т^); удельные затраты на пересылку запроса и получение ответа (Ск); вероятность неполной обработки запроса при введении временных ограничений на обслуживание (Рн); пороговое количество попыток (л) установления соединения с заданной вероятностью, выбранных для построения критериев оптимизации.

5. Разработаны математические и имитационная модели функционирования элементов системы, которые позволили определить значения Тч и Рн для различных реализаций системы в диапазоне интенсивностей потока запросов от 0,01 до 0,18 1/с, а также рассчитать значения С^ и п для этих реализаций.

6. Разработан алгоритм определения рациональной реализации компонентов системынаосноверешениямногокршгернтнойзадачиопгамизащш, позволивший установить, что при проектировании узлов системы целесообразно использовать комбинацию канала сети с коммутацией пакетов н восьми коммутируемых телефонных каналов с обработкой запросов в многозадачном режиме с ограничением на длительность обслуживания.

7. Результаты работы леши в основу проектных решений по созданию ФИС ГАИ и позволили определить направления дальнейших исследований по проблеме с ориентацией на оптимизацию сетевого трафика

Публикации по теме диссертацпонпой работы

1. В.Р. Вятич, В.Т. Капитанов, А-Б.Котенев, О.Ю.Момша и др. Под редакцией Ю.Н. Ольховникова. Требования к информационному взаимодействию компьютерных систем подразделений ГАИ с АИПС "Розыск". Шсобие./ Москва: НИЦ ГАИ МВД России./ 1994./ 94 с.

1. В.Р. Вятич, В.Т. Капитанов, А.Б. Котекев, О.Ю.Могаоши др. Под редакцией Ю.Н. Ольховникова. Требования к информационному взаимодействию компьютерных снстемподразделенпй ГАИ с АИПС "Розыск". Пособие. 2-е издание, переработанное и дополненное./ Москва: НИЦ ГАИ МВД России./ 1995./ 78 с.

3. В.Р. Вятич, В.Т. Капитанов, О.Ю. Моинна, Ю.Н. Ольховников. О создании федеральной информационной системы Госавтоинспекпди.// Тезисы докладов международной конференции "Информапоация правоохранительных систем"./ Москва: Академия МВД./ июнь 19967 С. 52-£3

4. В.Р. Вятич, В.Т. Капитанов, Киселёв П.Л.. Об автоматизации деятельности ГАИ.// Проблемы правового и технического обеспечения деятельности Госавтоинспещни. Сборник начатых трудов./Москва: НИЦ ГАИ МВД России./ 1997./ С. 79-90.