автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка архитектуры и метода оценки устойчивости функционирования распределенной информационно-вычислительной системы

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

Московский технический университет связи и информатики

На правах рукописи

Щербина Игорь Евгеньевич

УДК 681.324:519.87

РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ И МЕТОДА ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФО РМАЦИОН Н О-В Ы Ч И С Л И ТЕ Л Ь НО Й СИСТЕМЫ

Специальность: 05ЛЗЛЗ - Вычислительные машины, комплексы, системы и сети

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Э.В.ЕвреинЪв

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ

ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

1.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.2. АНАЛИЗ ЗАДАЧИ СОЗДАНИЯ РИВС

1.3. ВЫРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К РИВС ЮСТИЦИИ

1.4. РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ РИВС ЮСТИЦИИ

1.5. ВЫВОДЫ

Глава 2. РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ ИНФОРМАЦИОННО-ПОИСКОВОЙ СИСТЕМЫ

2.1. ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ПОИСКОВОЙ СИСТЕМЫ ПО ЗАКОНОДАТЕЛЬНЫМ АКТАМ

2.2. АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННО-ПОИСКОВОЙ СИСТЕМЫ

2.3. СОКРАЩЕНИЕ ВРЕМЕНИ ОТКЛИКА СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТРИЧНОГО ПРОЦЕССОРА

2.4. ОТРАБОТКА ЗАПРОСА В РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ

2.5. ВЫВОДЫ

Глава 3. ОЦЕНКА СООТНОШЕНИЙ МЕЖДУ ОСНОВНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ИНФОРМАЦИОННО-ПОИСКОВОЙ СИСТЕМЫ

3.1. ОЦЕНКИ ВРЕМЕНИ ВЫПОЛНЕНИЯ ОПЕРАЦИЙ С ИНВЕРСНЫМИ МАССИВАМИ

3.2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ИНФОРМАЦИОННО-ПОИСКОВОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НЕСКОЛЬКИХ КОМПЬЮТЕРОВ

3.3. ПОИСК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ

Страницы 4

9 21 27 30

35

36

36 53

67

69

75 77

77

80

3.4. ВЕРОЯТНОСТНАЯ МОДЕЛЬ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ 95 ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИПС ПО ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВУ

3.5. ВЫВОДЫ 110 Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ РАВНОВЕСИЯ И 111

УСТОЙЧИВОСТИ В ИНФОРМАЦИОННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ МАКРОСИСТЕМАХ

4.1. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА 111

4.2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ 113

4.3. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО НАЛИЧИЯ ПОЛОЖЕНИЯ 116 РАВНОВЕСИЯ

4.4. УСТОЙЧИВОСТЬ ПОЛОЖЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ 118

4.5. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННОЙ 120 МАКРОСИСТЕМЫ

4.6. ВЫВОДЫ 123 Глава 5. РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ 124

СРЕДСТВ ЭЛЕМЕНТОВ РИВС ЮСТИЦИИ

5.1. СОЗДАНИЕ МАТРИЧНОГО ПРОЦЕССОРА ДЛЯ 124 РЕАЛИЗАЦИИ НЕЧЕТКИХ АЛГОРИТМОВ

5.2. РАЗРАБОТКА ЯЧЕЙКИ ОДНОРОДНОЙ 125 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

5.3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ВЫПОЛНЕНИЯ 140 ЯЧЕЙКОЙ ОПЕРАЦИЙ НАД НЕЧЕТКИМИ ВЫСКАЗЫВАНИЯМИ

5.4. ЭКСПИРЕМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЯЧЕЙ- 150 КИ ОДНОРОДНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

5.5. ВЫВОДЫ 151 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152 ЛИТЕРАТУРА 154 ПРИЛОЖЕНИЕ I 174 ПРИЛОЖЕНИЕ П 178

ВВЕДЕНИЕ

Задача получения адекватного, полного, непротиворечивого с формально логической точки зрения ответа на сформулированный на привычном для пользователя языке вопрос с использованием глобального информационного ресурса, распределенного на территории страны, представляет собой непростую задачу как в чисто техническом, так и в научном аспекте. Попытки реализовать подобные системы на основе традиционных подходов предпринимались неоднократно и приводили к осознанию того, что достигнутые промежуточные результаты, даже после многочисленных доработок, не ведут к кардинальному решению проблемы. Особенно остро задача предоставления достоверной, полной, непротиворечивой информации в реальном масштабе времени стоит в системе юстиции, где информационный голод непосредственно сказывается на работе судов и органов юстиции в центральных регионах и, особенно, на периферии.

В отсутствии грамотно построенной и научно обоснованной концепции невозможно было создать целостную систему правовой информатики. В этих условиях предпринимались отдельные попытки создать ведомственные информационно - правовые службы, однако они не были ориентированы на обслуживание широкого круга потребителей, в том числе населения. Процессы правотворческой, правоприменительной и правоохранительной деятельности, правового образования и воспитания были построены на морально устаревших технологиях и научных подходах, не были согласованы между собой. Назрела настоятельная необходимость создания действенных механизмов повышения эффективности права и его применения, обеспечения полной правовой информированности членов общества.

Одним из наиболее эффективных путей такого совершенствования является широкомасштабная информатизация, основанная на разработке и внедрении перспективных информационных технологий. Разумеется, это очень многоплановая задача. В настоящей работе основное внимание уделено вопросам разработки архитектуры и создания метода анализа устойчивости

функционирования распределенной информационно-вычислительной системы (РИВС) юстиции и реализации элементов аппаратно - программных средств РИВС, построенной на принципах модели коллектива вычислителей [61].

Цель работы. Цель диссертационной работы состоит в разработке архитектуры и создании метода оценки устойчивости функционирования распределенной информационно-вычислительной системы юстиции, в основу построения которой положено использование модели коллектива вычислителей на всех уровнях ее реализации, обеспечивающее устойчивую к влиянию дестабилизирующих факторов работу информационно-поисковой системы при возрастании объема обрабатываемой информации и росте количества поступающих запросов.

Для реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. В результате анализа проблемы обслуживания заявок на получение правовой информации в РИВС юстиции и существующих подходов к аппаратно - программной реализации поставленной задачи предложена многоуровневая модель реализации запросов в РИВС юстиции на основе модели коллектива вычислителей.

2. Построена вероятностная модель работы информационно-поисковой системы, обеспечивающая количественный анализ ее временных характеристик.

3. Разработан алгоритм функционирования узла распределенной информационно-вычислительной системы при отработке заявки с использованием распределенного информационного ресурса.

4. Разработан метод описания РИВС юстиции как динамической информационной макросистемы, позволяющий производить оценку устойчивости функционирования РИВС и моделировать динамику ее изменения при изменении архитектуры и параметров элементов системы; проведен качественный анализ информационной макросистемы.

5. Созданы элементы аппаратно-программных средств реализации РИВС юстиции для обслуживания заявок на информационно-правовое обслуживание на основе предложенной модели.

Методы исследования. В работе использован аппарат теории однородных вычислительных систем, структур и сред, математической логики, массового обслуживания, теории управления, а также метод теории устойчивости.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Предложена многоуровневая модель распределенной информационно-вычислительной системы, каждый из уровней которой реализуется на основе модели коллектива вычислителей. Модель позволяет конструировать информационные системы по законодательству любого объема, обеспечивая получение ответа на запрос пользователя на основе всего информационного ресурса системы в реальном масштабе времени.

2. Обоснована применимость понятия энтропии для описания поведения распределенной информационно-вычислительной системы юстиции как динамической информационной макросистемы. Смысл термина "макросистема" таков: элементы макросистемы - ее узлы, каналы передачи данных - могут иметь вероятностный тип поведения, а система в целом ведет себя детерминированно. Такой подход позволил провести качественный анализ информационной макросистемы и выработать рекомендации по построению информационно-вычислительной системы, оптимальной по критерию устойчивости функционирования при условии минимальной стоимости создания и эксплуатации.

3. Доказаны две теоремы: первая - о наличии в рамках разработанной математической модели, описывающей замкнутую систему для относительного количества информации в узлах, особой точки - положения равновесия; и вторая - о сохранении положения равновесия при выходе из строя части информационно-вычислительной системы. Доказательство этих теорем подтвердило работоспособность предложенной архитектуры построения информационной системы в режимах сбора, хранения и распространения

информации, а также выявило прямо пропорциональную зависимость между ростом отказоустойчивости системы и увеличением количества узлов и связей между ними в системе.

4. Обоснована целесообразность как поиска документов по жестко заданному алгоритму в поисковых массивах данных, так и решения задачи формализации запросов пользователей средствами матричного процессора, построенного на технологии однородных вычислительных структур и отличающегося от известных организацией двунаправленного обмена нечеткой информацией. Матричный процессор, реализованный в соответствии с предложенной архитектурой, обладает максимальной степенью параллелизма для данного типа структур и позволяет реализовать сложные нечеткие алгоритмы, что расширяет круг потенциальных пользователей системы без снижения качественных показателей по достоверности и полноте предоставляемой информации.

Практическая ценность работы. Предложенная автором многоуровневая модель построения распределенной информационно-вычислительной системы юстиции с учетом выводов, сделанных на основе предложенного метода описания РИВС юстиции как динамической информационной макросистемы, реализована в созданной системе учреждений правовой информатизации Министерства юстиции Российской Федерации, аппаратно-программном комплексе сбора и обработки судебной статистики, необходимость осуществления которого определена совместным приказом Министра юстиции Российской Федерации и Председателя Верховного суда Российской Федерации от 15.01.97 г. № 19-01-03-97 "По вопросам представления статистической отчетности судов, органов и учреждений юстиции".

Внедрение результатов работы. Результаты работы нашли отражение в научных отчетах научно-технического совета НЦПИ Минюста России. На ячейку однородной вычислительной структуры, составляющую основу матричного процессора, обеспечивающего формализацию нечетко сформулированных запросов, получен патент Комитета Российской Федерации

по патентам и товарным знакам. Рекомендации, выработанные на основе проведенного качественного анализа макромодели информационной системы, легли в основу создания системы центров правовой информатизации Минюста России, эксплуатирующей аппаратно-программный комплекс распределенной информационно-вычислительной системы юстиции предоставления правовой информации, сбора статистики по судам, органам и учреждениям юстиции. Реализация результатов работы подтверждена соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно - техническом семинаре "Районные распределенные вычислительные системы" (Москва, 1990 г.); ХЬУ Всесоюзной научной сессии, посвященной дню радио (Москва, 1990 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Распределенные вычислительные системы и сети" (Смоленск, 1991 г.); V Всесоюзной научно - технической конференции "Однородные вычислительные системы, структуры и среды" (Москва, 1991 г.); Международном Форуме информатизации МФИ-92 "Информационные коммуникации, сети, системы и технологии" (Москва, 1992 г.); Международном Форуме информатизации МФИ-93 "Информационные коммуникации, сети, системы и технологии" (Москва, 1993 г.); заседаниях научно-технического совета НЦПИ при Минюсте России (1994-1996 гг.); заседаниях Ученого совета НЦПИ при Минюсте России (1996-1998 гг.).

Публикации результатов. По теме диссертации опубликована 21 работа (из них 11 в соавторстве), в том числе получено два патента на изобретение. Результаты исследований отражены в ряде научно-исследовательских отчетов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и 2 приложений. Работа изложена на 152 страницах, содержит 9 рисунков, список литературы из 251 наименования.

Г Л А В А 1

РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

1.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Изменения, происходящие в России в последние годы, требуют переосмысления многих явлений и устоявшихся взглядов, смещения акцентов и приоритетов. Так, если еще несколько лет назад о проблемах информатизации говорили как о важных и перспективных, то сегодня эта область, затрагивая интересы общества, государства, регионов и каждого человека в отдельности, объективно стала одной из определяющих культурный, технический, технологический уровень страны.

Поиск решения поставленной задачи в значительной мере инициирован Указом Президента Российской Федерации от 28 июня 1993 года N 966 "О концепции правовой информатизации России", решением коллегии Министерства юстиции Российской Федерации от 21 января 1994 года N 1-1 "О программе информатизации системы юстиции на 1994-1995 годы". Еще большую остроту приобрела указанная проблема после подписания Президентом Российской Федерации Указа от 27 декабря 1993 года N 2293 "Вопросы формирования единого информационно-правового пространства Содружества Независимых Государств", что определялось значительным расширением территории, на которой должна функционировать распределенная информационная система юстиции, и многократно возросшими объемами циркулирующей в ней информации.

Как констатируется в "Концепции правового обеспечения информационных процессов и информатизации в России", утвержденной

Указом Президента Российской Федерации от 28 июня 1993 года N 966 "О концепции правовой информатизации России", "в настоящее время законодательное регулирование информационных процессов и проблем информатизации нельзя назвать удовлетворительным. Необходимо срочно создать правовую основу информационных процессов и информатизации России, законодательно обеспечить эффективное использование информационных ресурсов общества, урегулировать правоотношения на всех стадиях и этапах информатизации, защитить человека в условиях информатизации, сформировать механизм информационной безопасности в ходе удовлетворения потребностей общества в информации".

"Формирование информационного пространства в условиях стремления к единому экономическому пространству, к политическому, культурному, духовному сотрудничеству и общению в условиях конвергенции и интеграции в планетарном масштабе может быть достигнуто через упорядочение отношений в области информационных процессов и информатизации, создание здесь необходимых регулятивных, стабилизирующих, охранительных механизмов".

Согласно "Концепции..." "идеология правового обеспечения информатизации в Российской Федерации предусматривает:

признание права на информацию естественным и закрепленным в законе правом граждан, правом организаций, государства и ограничение его исключительно законом или международными нормами;

упорядочение отношений в области информационных процессов и информатизации на основе учета права собственности на информацию, авторства и собственности на автоматизированные информационные системы и средства их обеспечения, специфики функций субъектов в информационных процессах;

включение информации в систему важнейший ресурсов страны, а индустрии информатизации - в научно-технический и производственный потенциал страны;

формирование и использование этих ресурсов в условиях равенства всех форм собственности, через разные формы организации производства, услуг, обмена, создание рынка и проведение антимонопольной политики государства;

решение задач создания информационного пространства Российской Федерации, СНГ и активного информационного обмена в системе международного сотрудничества в целом;

обеспечение условий безопасности информации, интересов и прав всех физических и юридических лиц, государства в процессе информатизации".

Цели правовой информации Российской Федерации:

- защита права личности на частную жизнь, защита государственных интересов Российской Федерации, защита предпринимательской и финансовой деятельности граждан и организаций Российской Федерации в других государствах;

совершенствование законодательной техники и повышение эффективности вновь принимаемых правовых актов;

- обеспечение оперативной и полной правовой информированности должностных лиц федеральных органов государственной власти Российской Федерации;

- повышение уровня защиты прав и интересов Российской Федерации, ее физических и юридических лиц путем быстрого и полного обеспечения федеральных правоохранительных органов информацией о законодательстве других государств;

- повышение правовой культу