автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка и исследование метода проектирования транспортного узла распределенной информационной вычислительной системы



с.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

Московский технический университет связи и информатики

На правах рукописи

Герцев Константин Николаевич

УДК 681.324:519.87

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО УЗЛА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Специальность: 05.13.13 - В> 'слнтельные машины, комплексы, системы и

сети

А ВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре "Вычислительная техника и управляющие системы" Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ).

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Морозов В.К.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор

Лазарев В. Г.

кандидат технических наук, доцент

Ефремов В.А.

Ведущая организация: Центральный научно-

исследовательский институт связи

Защита состоится "¿0" 199 ¿г. в /б1 часов на заседании

диссертационного совета К118.06.02 при Московском техническом университете связи и информатики по адресу: 11102-1, Москва, ул. Авиамоторная, 8-а, МТУСИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ. Автореферат разослан " 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 118.06.02 кандидат технических наук, профессор

¿¿¿¿Ч Е.В. Демина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный этап развития общества характеризуется расширением и наращиванием его технико-экономического базиса, важнейшим компонентом которого является информатизация. В период информатизации общества важное значение придается регионам. В связи с этим получили широкое развитие распределенные информационные вычислительные системы (РИВС). Такие системы необходимы для объединения в единое целое предприятий, находящихся в различных регионах страны. Одним из компонентов информатизации является правовая информатика. Правовую информатику можно определить как прикладную науку, изучающую проблемы сбора, систематизации, хранения и передачи социально-правовой информации конечному потребителю в обществе.

Необходимость постоянного обращения к источникам правовой информации, динамически меняющегося законодательства требуют разработки современных систем сбора, учета, хранения и своевременная передачи правовой информации по каналам связи. Построение таких сложных систем, в особенности модуля актуализации и поддержания в контрольном состоянии баз данных правовой информации, представляются новыми и перспективными направлениями в науке и требуют особых методов и теорий, которые в настоящее время недостаточно разработаны.

Актуальность работы обусловлена задачами, поставленными в области правовой информатизации и предусмотренными в постановлениях Правительства Российской Федерации, Указах Президента Российской Федерации и ряда других нормативных актов. В частности, в них сказано "...ускорить работы по созданию Российской автоматизированной системы информационно-правового обеспечения и правореализационной

деятельности, правового образования и воспитания как неотъемлемой составной части межгосударственной системы правовой информации Содружества Независимых Государств...";"Признать целесообразным использование созданного в Научном центре правовой информации при Министерстве юстиции Российской Федерации банка данных ведомственных нормативных актов для информационно-правового обеспечения деятельности федеральных органов исполнительной власти"

В связи с вышеперечисленным возникает необходимость создания РИВС юстиции. Использование современной вычислительной техники в построении аппаратно-программных комплексов передачи правовой информации по каналам связи требует введения параметров качества, с помощью которых определяется векторная матрица и проводится ее оптимизация. Такими параметрами в работе комплекса можно считать достоверность, отказоустойчивость и производительность. Задача подобного _рода решается в правовой информатизации впервые.

з

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка метода проектирования транспортного узла РИВС юстиции на базе аппаратно-программного комплекса для передачи правовой информации по каналам связи, обеспечивающих эффективное использование технических средств и повышающих надежность и достоверность передаваемой информации. Комплекс аппаратных и программных средств позволяет более точно и подробно анализировать и исследовать потребность в правовой информации и пропускную способность этой сложной машинной системы, автоматизировать процесс получения оценки производительности доступа к данным.

В диссертационной работе для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- Разработан метод проектирования и построения транспортного узла РИВС юстиции для передачи правовой информации по каналам связи.

- Предложен эффективный метод управления доступом к правовой информации в компьютерных сетях.

- Определена система параметров для метрологической оценки производительности и отказоустойчивости комплекса передачи информации по каналам связи.

- Выбран оптимальный состав технических средств для обеспечения успешного функционирования транспортного узла РИВС при минимальной стоимости аппаратных средств.

- Определены характеристики состояний модели транспортного узла РИВС для любого момента времени, при которых показатели качества функционирования системы приобретают оптимальные значения.

- Разработана процедура и программное обеспечение оценки пропускной способности, отказоустойчивости комплекса передачи данных правовой информации и производительности доступа к данным правовой информации.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы анализа сетей, методы имитационного моделирования, теории графов, теория вероятностей и математической статистики, теория массового обслуживания, теория однородных вычислительных структур.

Объект исследования. Объектом исследования является центральный узел РИВС юстиции, функционирующий в Научном центре правовой информации при Минюсте России.

Научная новизна.

1. Использование математических методов теории массового обслуживания в сочетании с методом имитационного моделирования

позволило разработать метод проектирования транспортного узла РИВС, отличающийся от известных расширенным набором параметров для описания категории заявок входного потока, а именно: требования от правотворческих органов, требования за пакетами обновлений, тематические запросы по правоприменению. На основе разработанного метода создан аппаратно-программный комплекс передачи данных правовой информации по каналам связи в системе юстиции, что позволило производить сравнительную количественную оценку таких комплексов и оптимизировать их аппаратный состав.

2. Разработана операторная схема алгоритма имитационной модели, отличающаяся от известных тем, что в состав исходных данных введены дополнительные переменные, описывающие связи в группе элементов при реализации фазы процесса моделирования и описывающие связи между группами элементов. За счет увеличения объема исходных данных в 2.3 раза отпадает необходимость затрат на построение новой модели, что увеличивает производительность труда в 3 раза. Таким образом, новизна разработанной имитационной модели транспортного узла РИВС заключается в том, что она по принципам своего построения является универсальной, т.е. может быть использована для исследования систем различной сложности. На основе разработанного алгоритма предложен моделирующей процесс функционирования транспортного узла РИВС и определены характеристики состояний системы для оптимизации показателей качества функционирования.

3. Разработана процедура обмена данными между хост-ЭВМ транспортного узла РИВС и удаленным компьютером по каналам тональной частоты, отличающаяся от известных тем, что при использовании протокола EMSI (Electronic Mai! Standards Interface) на первом этапе проверяется наличие пакета информации с помощью специального набора бит-флагов. Контрольная сумма пакета информации проверяется на втором этапе. Благодаря этому в случае отсутствия или поступления искаженной последовательности бит-флагов удаленному компьютеру посылается запрос на повторную передачу пакета информации, что сокращает время на прием пакета информации в целом.

4. На основе полученных математических соотношений и данных имитационной модели транспортного узла РИВС стало возможным применить разработанный при участии автора модуль электронной реверсивной нагрузки, отличающийся от известных тем, что введение в состав модуля новых элементов дает возможность расширить функциональные возможности электронной реверсивной нагрузки, исключить самоблокировку и потерю данных, проводить анализ каналов связи с внешними устройствами без их подключения. Добавление в

конфигурацию персональных компьютеров транспортного узла РИВС платы транспьютерного типа с модулем электронной реверсивной нагрузки позволило в 2.1 раза сократить среднее время отклика системы без применения более производительных процессоров, что приводит к более оперативному и качественному обслуживанию при использовании существующих аппаратных средств.

Личный вклад автора. Все исследования, изложенные в диссертационной работе, связанные с ними расчеты, теоретические выводы и практические рекомендации получены лично автором. На основе математических методов автором спроектирован и построен комплекс передачи данных центрального узла РИВС юстиции, а также разработаны и внедрены пакеты программ на языках высокого уровня. Имеются соответствующие регистрационные свидетельства.

Практическая ценность работы. Использование метода, предложенного автором, дало возможность решить задачи, поставленных в Приказах министра юстиции РФ, Постановлениях Правительства РФ, Указах Президента РФ, Программе правовой информатизации, в которых предусматривается создание центрального узла и региональных центров правовой информатизации без дополнительного привлечения бюджетных средств. Собираемая из субъектов с помощью центрального узла РИВС информация используется для подготовки оперативных аналитических материалов, направляемых в Администрацию Президента РФ, Правительству РФ, Генеральную прокуратуру РФ.

Предложено и обосновано научно-техническое решение целесообразности построения аппаратно-программного комплекса для передачи правовой информации по каналам модемной связи в информационной вычислительной системе юстиции.

На основе разработанного метода построен многомашинный комплекс и созданы процедура и программные средства для обслуживания запросов к аппаратному комплексу передачи данных для доведения правовой информации и оценки производительности доступа к данным правовой информации.

Реализация результатов работы. Результаты работы нашли отражение в научных отчетах по НИР, проводимых в НИЧ МТУСИ, и научных статьях по темам научной деятельности научно-технического совета НЦПИ. Все программные пакеты функционируют в составе транспортного узла РИВС юстиции на базе аппаратно-программного комплекса Научного центра правовой информации "ФОНД" - компьютерном многомашинном комплексе для обработки правовой информации. Программный пакет МакеНрйг используется для подкачки и формирования пакета обновления баз данных

правовой информации. Программа Host функционирует в НЦПИ для обработки запросов на получение правовой информации, передачи пакета обновления конечным пользователям и обмена электронными почтовыми сообщениями по каналам модемной связи и внедрена в проекты информатизации Министерства юстиции РФ. Работа пакета PowerAdvisor позволяет прогнозировать нагрузку на приборы комплекса и эффективно распределять ресурсы центрального процессора без участия человека, что значительно снижает трудовые затраты и сокращает время для реконфигурации комплекса.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в технологию функционирования программно-технологического комплекса Научного центра правовой информации "ФОНД", являющегося центральным узлом РИВС системы юстиции, в 43-х региональных центрах правовой информатизации. Получены соответствующие акты о внедрении результатов и свидетельства Российского агентства по правовой охране программ для ЭВМ, баз данных и топологий интегральных микросхем.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 1992 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов МТУСИ (Москва, 1993, 1994, 1995, 1996 гг.), на заседаниях Научно-технического и Ученого советов в Научном центре правовой информации при Министерстве юстиции. (Москва, 1994, 1995, 1996 гг.), на Семинаре по проблемам правовой информатизации (Челябинск, 1995), на Международном семинаре "Принципы компьютеризации системы уголовного судопроизводства", Москва, 1997 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ. Результаты исследований отражены в четырех научно-исследовательских работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка использованной литературы и 4 приложений. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, 25 страницах рисунков и таблиц. Библиография включает 213 наименований. Приложения на 43 страницах.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод управления доступом для анализа, моделирования и проектирования транспортного узла РИВС юстиции с расширенным набором параметров для локальных сетей различной мощности и различной интенсивностью потока заявок обеспечивает эффективную работу комплекса передачи данных правовой информации по каналам связи с вероятностью отказа не более 0.015.

2. Обоснованный вероятностно-статистический метод анализа потока заявок на получение правовой информации на основе метода имитационного моделирования позволяет получить точные характеристики состояний модели транспортного узла РИВС для любого момента времени и объема запрашиваемой информации и производительности комплекса в целом, при которых показатели качества функционирования системы приобретают оптимальные значения.

3. Предложенный способ статистического анализа входного потока требований на запрос правовой информации от конечного пользователя дает возможность оптимизировать совокупность аппаратных средств для создания транспортного узла в региональных ЛВС и сократить затраты на его построение.

4. Результаты исследования транспортного узла РИВС с помощью универсальной автоматизированной имитационной модели позволили выбрать оптимальный состав технических средств для обеспечения заданной вероятности обслуживания заявки узла при минимальной стоимости аппаратных средств.

5. Добавление в конфигурацию персональных компьютеров транспортного узла РИВС платы транспьютерного типа с модулем электронной реверсивной нагрузки позволило в 2.1 раза сократить среднее время отклика системы без применения более производительных процессоров, что приводит к более оперативному и качественному обслуживанию при использовании существующих аппаратных средств.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, определена практическая ценность работы, приведены область применения результатов и аннотация по главам. Перечислены научные и практические результаты диссертационной работы, выносимые на защиту.

Первая глава. В первой главе на основе анализа информатизации правовой сферы освещена проблема управления доступом к базам данных в компьютерных сетях обработки правовой информации. • Обоснована необходимость разработки новых эффективных методов исследования и усовершенствования компьютерных многомашинных комплексов доведения правовой информации до конечного пользователя. Проведен анализ существующих подходов при построении таких комплексов в правовых структурах.

В настоящее время технология компьютерных сетей является одной из наиболее бурно развивающихся областей промышленности средств передачи данных. Об этом свидетельствуют ежегодные международные выставки вычислительной техники и коммуникаций СОМТЕС и NETCOM. В

настоящее время компьютерные сети активно внедряются в структуры юридической сферы.

Характерной чертой многих систем передачи данных, применяемых в законораспространительной деятельности, является коллективное использование ресурсов среды передачи данных правовой информации. Через такую среду в заданный промежуток времени может принимать и передавать информацию только один из пользователей. В связи с этим возникает проблема разделения ресурсов среды передачи данных, которую можно решить различными методами. В работе дается анализ различных систем доступа к правовой информации.

В связи с расширением числа задач и роста объемов правовой информации, а также с территориальной удаленностью компонентов сети -центров правовой информатизации возникает необходимость в распределенной обработке данных.

На основании сравнительного анализа различных систем доступа к правовой информации, а, также учитывая разнородность потоков заявок при доступе к системам правовой информации сделан вывод о том, что необходима разработка нового метода проектирования и построения таких комплексов. Такие системы являются человеко-машинными комплексами и состоят, как минимум, из трех основных потоков, подлежащих автоматизации: ввод информации в базу данных, запросно-ответный модуль, модуль распространения информации по каналам связи. До настоящего времени эти системы рассматривались только в описательном плане.

Существующие методы, предназначенные для обычных компьютерных комплексов, в данном случае могут быть использованы с добавлением новых составляющих. В известных системах анализа и имитации доступа к обычным компьютерным системам вводится ограничение на вид закона распределения запросов. Таким образом, при разработке нового метода проектирования необходимо вывести новые соотношения параметров узла доступа к системам правовой информации и разработать программное обеспечение, учитывающее разнородность характера потоков запросов к системе от пользователей законораспространительной деятельности.

Вторая глава. Во второй главе рассмотрены вопросы применения теории массового обслуживания при разработке метода проектирования транспортного узла РИВС юстиции.

С учетом новых тенденций в применении локальных вычислительных сетей и РИВС в отрасли права и специфики правовой информации автором предложена- обобщенная структурная модель транспортного узла РИВС юстиции - комплекса передачи данных правовой информации по каналам связи.

Предложена и обоснована метрическая система мер, позволяющая при анализе и разработке теории компьютерных комплексов передачи по каналам связи правовой информации и актуализации баз данных правовой информации, провести точную оценку их параметров.

Исследование работы любой системы массового обслуживания приводит к необходимости анализировать своеобразный случайный процесс, связанный с переходами этой системы из одного состояния в другое. Например, при работе транспортного узла РИВС юстиции он может быть некоторое время занят, а в другое время свободен. Если модемные каналы узла заняты, а в это время удаленный компьютер обращается с транзакцией к узлу, то он получит отказ. При анализе таких случайных процессов в диссертационной работе был применен методический прием, в основу которого положено составление "размеченного графа состояний". Применение размеченных графов состояний облегчает математическое исследование случайных процессов и делает его более наглядным.

Многочисленные расчеты, проведенные при решении различных задач теории массового обслуживания, показывают, что в большинстве случаев удовлетворительное по точности решение можно получить, приняв допущение о том, что все потоки, воздействующие на систему, являются пуассоновскими, т.е., что процесс функционирования системы представляет собой Марковский случайный процесс с непрерывным временем.

Однако, в рассматриваемом случае потоки различных типов заявок поступают с неодинаковой интенсивностью. В результате этого общий входной поток имеет гипергеометрическое распределение.

В качестве исследуемого объекта в работе рассматривался центральный узел РИВС юстиции на базе многокомпьютерного аппаратно-программного комплекса НЦПИ, основная задача которого состоит в обработке правовой информации и доведения ее до удаленного пользователя. При анализе и оптимизации транспортного узла использовался метод теории систем массового обслуживания с отказами. Математическое описание модели системы массового обслуживания на примере аппаратно-программного комплекса транспортного узла выглядит следующим образом.

Имеются три типа заявок на обслуживание:

1) Поток запросов на поиск нормативных актов от правоохранительных органов; 2) Поток запросов от пользователей информационной системы на получение обновлений для базы данных правовой информации; 3) Поток тематических заявок от пользователей базы данных в режиме удаленного доступа.

Заявки, принадлежащие трем различным потокам, поступают независимо друг от друга, то есть происходит объединение (суперпозиция)

трех потоков. Суперпозиция трех независимых потоков с экспоненциальной функцией распределения является потоком такого же типа, причем его интенсивность равна сумме интенсивностей составляющих потоков.

Доступ к каналам электронной почты обеспечивают 12 каналов связи. Согласно экспериментально полученному графику нагрузки на каналы электронной почты (см. рис. 1) среднее время реакции системы (т.е. время обработки требования) равно 37.425 минуты. Интенсивность обращений - 163 обращения в час, т.е. 2.72 обращений в минуту.

18с

16;

145

Юз з-

6К

2 5

\

Время суток, час 10 14 15 16 18 20 22 23

ш

О

Рис. 1

Таким образом, получены следующие количественные оценки работы каналов электронной почты:

- число каналов (обслуживающих приборов) п = 12;

- интенсивность потока обслуживания каждого канала

м-—-

^ 37.425

Л=Д1+Я2+Я3 =0.03+0.025+0.005=0.061, /?1=^-=0.504,уЭ2=^-=0.413 , /?3 =^-=0.083, г = /?|^| "'"^З^З =0 018+0.013+0.008=0 039

Положим у-— ■ Тогда формула для определения вероятности того, что г

все обслуживающие приборы свободны, будет иметь вид: Р0 =-?——.

7Г

Формула вероятности того, что к обслуживающих приборов занято, будет иметь вид: Рк =—^—г- где (А=1,..г). При Л=0.061, г=0.031, ^=1.951,

Г у*

l+S IT

2 12

г=12 и, полагая получим вероятность того, что все

приборы свободны: =1=0.986.

и

Вероятность полной загрузки системы, т.е. того, что все каналы будут ¿2

заняты, равна: Pi2 =-^-=0.014 Среднее число свободных каналов S

равно: s= £ 12-k-Pk= Y. ——. Из соотношения получим:

¿=0 к=0 к{ S =5.8528. Т.е. большую часть времени 5 каналов электронной почты системы юстиции свободны и могут обслуживать заявки.

Во время своей работы программа Host ведет полный протокол действий пользователя, и нагрузки на канал, который в дальнейшем обрабатывается анализатором PowerAdvisor и используется для построения графика зависимости вероятности полной загрузки системы (см. табл. 1 и рис.2).

Табл. 1

Количество обслуживающих приборов Вероятность обслуживания требования Среднее число занятых каналов Вероятность полной загрузки системы Среднее число свободных каналов

4 0.21456 2.8793 0.78544 1.1207

8 0.45178 5.3452 0.54282 2.6548

12 0.98568 6.1482 0.01432 5.8528

Третья глава. В третьей главе рассмотрены вопросы применения метода имитационного моделирования при разработке и исследовании модели транспортного узла РИВС юстиции.

При исследовании сложной системы, каковой является транспортный узел, возникают задачи, относящиеся не только к свойствам входящих в нее отдельных видов оборудования и аппаратуры, но также и к закономерностям функционирования всего транспортного узла РИВС в целом. Структура такой системы должна быть приспособлена к выполнению специальных мероприятий, направленных на оптимальный сбор, хранение, переработку и выдачу информации. В состав технических средств транспортного узла РИВС включаются ЭВМ с каналами связи и внешними источниками информации.

Внутреннее математическое обеспечение включает операционную систему и информационный процесс. Эта часть программ выполняет функции управления потоками информации, их диспетчеризирования, организации взаимообмена информацией с использованием внутренних и внешних каналов связи.

Система внешнего математического обеспечения содержит средства для подготовки и реализации на ЭВМ комплекса расчетных задач на основе использования алгоритмических языков, программ и процедур.

При исследовании сложной системы, каковой является транспортный узел, возникают задачи, относящиеся не только к свойствам входящих в нее отдельных видов оборудования и аппаратуры, но также и к закономерностям функционирования всего транспортного узла РИВС в целом. Метод имитационного моделирования (МИМ) позволяет провести исследование сложных систем при любом характере распределения входных потоков, а также приборов с любой степенью внутренней сложности, например, персональный компьютер с тремя различными типами процессоров.

Совокупность программ имитации, преобразования к стандартной форме, обработки и анализа результатов моделирования, а также стандартных процедур, составляют так называемую универсальную автоматизированную имитационную модель (УАИМ), которая может быть оформлена в виде пакета прикладных программ для моделирования системы на ЭВМ. УАИМ отличаются от имитационных моделей, построенных с помощью ЯИМ, тем, что они содержат готовые модули устройств и математические модели, которые объединяются в систему с помощью исходных данных. Изменение модели сводится, таким образом, к изменению исходных данных. Это во много раз сокращает затраты на создание и отладку модели. Применение метода имитационного моделирования на основе универсальной автоматизированной имитационной модели позволило определить характеристики состояний модели транспортного узла РИВС для любого момента времени, при которых показатели качества функционирования системы приобретают оптимальные значения.

На основание проведенных исследований была получена зависимость времени обслуживания заявки ^от количества обслуживающих

приборов (компьютеров) с различными типами процессоров. График зависимости представлен на рис. 3.

Четвертая глава. Четвертая глава посвящена вопросам реализации разработанного метода при проектировании и построении транспортного узла РИВС юстиции - его аппаратного и программного обеспечения.

Программный комплекс, функционирующий в транспортном узле, реализован в виде пакета программ. Модуль для ежедневного формирования обновления базы данных по законодательству «ЭТАЛОН» НЦПИ состоит из двух частей: ¿ок/йеас/ - выгрузка текстов нормативных актов и картотеки в коммуникативном формате и МакеЫрск - подкачка и формирование пакета

обновления баз данных правовой информации для последующей передачи конечному пользователю по каналам модемной связи (см. рис.4).

Фонд

=t

Е=В

>=Ч

Файлы коммуникативного формата\

для формирования пакета обновления

И

IBM AS/400 База данных "ФОНД" 13Гбайт 300000 документов

Сервер ЛВС НЦПИ 2-х

процессорный PentiumPro 200 128M6aäTRAM

Рис. 4

В конфигурацию компьютеров добавлена плата транспьютерного типа с разработанным при участии автора модулем электронной реверсивной нагрузки [14]. Данный модуль предназначен для расширения функциональных возможностей нагрузки за счет аппаратной имитации протокола обмена данными транспьютерной платы с организацией возврата полученного сообщения с целью сохранения информации. Функциональная схема модуля электронной реверсивной нагрузки показана на рис. 5.

3

& 4

12

Рис. 5

1"

Поставленная цель достигается тем, что в электронную реверсивную нагрузку, содержащую триггер, счетчик, первый элемент И и элемент ШЩ, введены первый и второй регистры сдвига, второй и третий элементы И и первый и второй элементы задержки, причем информационный вход нагрузки соединен с входом триггера, выход триггера соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с счетным входом счетчика, выход переполнения которого соединен с входами сброс триггера и первого регистра сдвига, тактовый вход первого регистра сдвига соединен с выходом первого элемента И, информационный последовательный вход первого регистра сдвига соединен с выходом первого элемента задержки, вход которого соединен с информационным входом нагрузки, выход переполнения счетчика соединен с входом второго элемента задержки, выход которого соединен с входом сброс счетчика, второй разряд параллельного выхода счетчика соединен с прямым входом второго элемента И. третий разряд параллельного выхода счетчика соединен с первым инверсным входом второго элемента И и первым прямым входом третьего элемента И, четвертый разряд параллельного выхода счетчика соединен со вторым инверсным входом второго элемента И и первым инверсным входом третьего элемента И, пятый разряд параллельного выхода счетчика соединен с третьим инверсным входом второго элемента И и вторым инверсным входом третьего элемента И, выход второго элемента И соединен с входом записи второго регистра сдвига, тактовый вход которого соединен с выходом третьего элемента И. первый разряд параллельного входа второго регистра сдвига соединен с источником логической единицы, второй разряд параллельного входа второго регистра сдвига соединен с источником логического нуля, последовательный выход второго регистра сдвига соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с последовательным выходом первого регистра сдвига, выход элемента ИЛИ соединен с информационным выходом нагрузки, тактовый вход нагрузки соединен со вторым входом первого элемента И и вторым прямым входом третьего элемента И.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан метод управления доступом для анализа, моделирования и проектирования транспортного узла РИВС юстиции с расширенным набором параметров для локальных сетей различной мощности с различной интенсивностью потока заявок с динамическим распределением ресурсов центрального процессора, обеспечивающий вероятность отказа не более 0.015.

2. Обоснована метрическая система мер таких параметров, как число требований, поступающих в систему, вероятность поступления требований в промежуток времени, вероятность поступления более одного требования за малый промежуток времени, среднее число требований, поступающих в систему за среднее время обслуживания одного требования одним прибором, вероятность обслуживания требования, среднее число занятых каналов, что позволило оптимизировать состав комплекса.

3. На основе метода имитационного моделирования с применением универсальной автоматизированной имитационной модели определены характеристики состояний модели транспортного узла РИВС для любого момента времени, при которых показатели качества функционирования системы приобретают оптимальные значения.

4. Прикладные методы теории массового обслуживания применены в области правовой информатизации и разработана система параметров для метрологической оценки комплекса передачи правовой информации по каналам связи, которая позволяет производить сравнительную количественную оценку таких комплексов.

5. Предложено и обосновано научно-техническое решение целесообразности построения аппаратно-программного комплекса для передачи правовой информации по каналам связи в РИВС юстиции на основе однородных вычислительных систем.

6. Предложен метод статистического анализа входного потока требований на запрос правовой информации от конечного пользователя, который дает возможность оптимизировать совокупность аппаратных средств для создания транспортного узла в региональных центрах правовой информатизации и сократить затраты на его построение.

7. Разработан пакет программ для реализации задач получения

правовой информации с центрального узла РИВС юстиции с использованием подходов и средств имитационного моделирования для прогнозирования нагрузки на приборы комплекса и эффективного распределения ресурсов центрального процессора.

8. Практически реализованы результаты исследования. Построенный с учетом результатов работы транспортный узел РИВС юстиции в НЦПИ, обеспечивает обработку запросов и передачу обновлений по модемным каналам связи для локальных баз данных правовой информации более 2500 пользователям. Эффективность предложенного метода экспериментально проверена при проектировании и построении транспортных узлов Самарского и Ивановского центров правовой информатизации.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Морозов A.B., Герцев К.Н., Иванов И.Г., Дреминов P.A., О

возможности использования комплекса технических средств локальной распределенной сети VAX для реализации параллельных процессов, БУ "Депонированные рукописи", ВИНИТИ, №3,1991 г.

2. Морозов A.B., Герцев К.Н., Иванов И.Г., Аспекты организации локально-распределенных информационно-вычислительных систем, БУ "Депонированные рукописи", ВИНИТИ, №5,1991 г.

3. Морозов A.B., Герцев К.Н., Иванов И.Г., Теория и практика построения распределенных вычислительных систем, БУ "Депонированные рукописи", ВИНИТИ, №11,1991 г.

4. Морозов A.B., Герцев К.Н., Применение перспективных информационных технологий в системе юстиции Российской Федерации, БУ "Депонированные рукописи", ВИНИТИ, №4,1993 г.

5. Морозов A.B., Герцев К.Н., Иванов И.Г., О возможности использования комплекса технических средств AS/400 для построения распределенной информационной (вычислительной системы юстиции, БУ "Депонированные рукописи", ВИНИТИ, №7, 1993 г.

6. Морозов A.B., Герцев К.Н., Иванов И.Г., Дреминов P.A.,

Распределенная система обработки правовой ¡информации на ¡базе ЭВМ VAX и IBM PC/AT, Всесоюзный НТС "Районные распределительные вычислительные системы", тезисы доклада, М., 1990.

7. Герцев К.Н., Иванов И.Г., Аспекты организации информационной системы учреждения юстиции, Всесоюзная НТК "Однородные вычислительные системы, структуры и среды", тезисы доклада, М. 1991.

8. Морозов A.B., Герцев К.Н., Аспекты использования аппаратно-программного комплекса AS/400 для передачи правовой информации по каналам связи. Журнал "Закон" № 12 1996 г.

9. Герцев К.Н., Аспекты использования аппаратно-программного комплекса AS/400 для передачи правовой информации по каналам связи, Сборник научных статей "Правовая информатика" №1, М., НЦПИ при МЮ РФ, 1996.

10. Герцев К.Н., Об организации многопользовательского режима в распределенной информационной вычислительной системе юстиции, Сборник "Правовая информатика" № 2, М., НЦПИ при МЮ РФ, 1997.

11. Герцев К.Н., Применение Интернет-технологий в области обеспечения системы юстиции правовой информацией, Международный

семинар "Принципы компьютеризации системы уголовного судопроизводства", тезисы доклада, М., 1997 г.

12. Герцев ICH., Новая версии поисковой оболочки действующего законодательства "Эталон", Ученый совет НЦПИ при MIO РФ, тезисы доклада, М., 1997.

13. Герцев ICH., Особенности ввода новой версии программного комплекса "Эталон" в промышленную эксплуатацию, Ученый совет НЦПИ при МЮ РФ, тезисы доклада, М. 1997.

14. Герцев К.Н., Карандин В.Н., Морозов A.B., Щербина И.Е., Иванов Н.Г. Патент на изобретение № 2109328 «Электронная реверсивная нагрузка». Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 20.04.1998 г.

Подписано в печать 23.11.98 г. Формат 60x84/16. Объем 1.18 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 164. Бесплатно

НЦПИ при МЮ РФ. г. Москва, ул. Михалковская, 65-1



ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СВЯЗИ И

ИНФОРМАТИЗАЦИИ

Московский технический университет связи и информатики

На правах рукописи

Герцев Константин Николаевич

УДК 681.324:519.87

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО УЗЛА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Специальность: 05.13.13 - Вычислительные машины, комплексы, системы и

сети

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук Научный руководитель д.т.н., профессор Морозов В.К.

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1.

Глава 2.

Глава 3.

Глава 4

АНАЛИЗ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ДОСТУПОМ К БАЗАМ ДАННЫХ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ ОБРАБОТКИ ПРАВОВОЙ ИНФОРМАЦИИ_ 28

1.1. Специфика телекоммуникационных средств доступа к данным в системах правовой информации_

__28

1.2.Основные тенденции в обработке данных в правовой сфере_ 35

1.3 .Анализ существующих методов распределения данных__39

1.4. Выводы__52

РАЗРАБОТКА ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО УЗЛА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЮСТИЦИИ__

2.1. Анализ методов теории массового обслуживания для

разработки параметров, определяющих работу транспортного узла_

2.2. Обоснование метода построения транспортного узла РИВС юстиции_

2.3. Применение методов анализа параметров для определения характеристик транспортного узла при его проектировании_

2.4. Выводы _

РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОИ

ТРАНСПОРТНОГО УЗЛА РИВС

МОДЕЛИ

3.1 Анализ методов исследования сложных систем

3.2 Выбор средств имитационного моделирования

3.3 Имитационная модель транспортного узла РИВС

3.4 Выводы_

54

54

61

71 78

80 80

83

85

104

РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА АКТУАЛИЗАЦИИ ПРАВОВОЙ БАЗЫ ДАННЫХ И ПРИЕМА ОБНОВЛЕНИЙ ПО КАНАЛАМ МОДЕМНОЙ СВЯЗИ_

4.1. Модуль выгрузки текстов нормативных актов и картотеки в коммуникативном формате _

4.2.Модуль подкачки и формирования

пакета

обновления баз данных правовой информации

106

106

124

4.3.Аппаратно-программный комплекс обработки запросов на получение правовой информации и передачи пакетов обновления базы данных по каналам связи____128

4.4. Программа автоматического приема обновлений_ 149

4.5. Выводы________ I53

Заключение

155

Литература____

Приложение I ____178

Приложение II _______182

Приложение III________1

Приложение IV____221

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития общества характеризуется расширением и наращиванием его технико-экономического базиса, важнейшим компонентом которого является информатизация. В период информатизации общества важное значение придается регионам. В связи с этим получили широкое развитие распределенные информационные вычислительные системы (РИВС). Такие системы необходимы для объединения в единое целое предприятий, находящихся в различных регионах страны.

Одной из компонент информатизации является правовая информатика. Правовую информатику можно определить, как прикладную науку, изучающую проблемы сбора, регистрации, хранения, обработки и использования правовой информации в обществе.

Задача получения адекватного (точного), 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 и в центральных регионах и, особенно, на периферии.

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 перспективных и важных, то сегодня эта область, затрагивая интересы общества, государства, регионов и каждого человека в отдельности, объективно стала одной из определяющих культурный, технический, технологический уровень страны.

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".

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 важнейших 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".

Информация о наших правах, содержащаяся в законодательных актах (или нормативная правовая информация), является особо важным видом информации, так как она лежит в основе нормального функционирования общества, в фундаменте его экономической и политической жизни, используется или принимается во внимание при подготовке любых решений. Отсутствие, неполнота или неточность правовой информации влекут моральные и материальные потери, способствует разбалансированности экономики, деформирует правосознание граждан, повышает уровень преступности, существенно осложняет переход к правовому государству и рыночной экономике.

С целью решения вопросов о том, какими правовыми нормами регулируется затронувшая гражданина или организацию ситуация, создаются и поддерживаются в актуальном состоянии базы данных по нормативной правовой информации.

Проблемы построения систем обработки правовой информации обладают определенной спецификой, определяемой следующими моментами:

1. Законодательные акты представляют собой тексты, у которых объективно не может быть рефератов или краткого изложения содержания. Нормативный акт содержит одну или несколько норм права, регулирующих общественные отношения. Структура акта не стандартизована. Нормы права, содержащиеся в акте, и структурные единицы акта часто не увязаны между собой. Изложение норм права в актах не упорядочено, для толкования нормы часто приходится изучать не только отдельный пункт акта, но и акт в целом, а также другие акты.

2. Действующий законодательный акт подвержен постоянным изменениям и дополнениям. При изменении актов они, как правило, не переиздаются в новой редакции. Примерно 8% вновь принятых нормативных актов вносят изменения в ранее принятые акты.

3. Терминология законодательных актов не упорядочена и не стандартизована, нормы права на одну и ту же тему излагаются по-разному.

4. Характерным свойством текстов нормативных актов является наличие в их составе, так называемой латентной (т.е. скрытой, подразумеваемой) информации.

5. В части построения баз данных специфика проблемы заключается также в постоянной изменяемости текстов, что накладывает определенные технологические ограничения на структуру файлов и режимы передачи данных в информационных сетях.

Очевидно, что расчет параметров баз данных для обработки правовой информации необходимо вести с учетом указанных особенностей.

Все виды деятельности и услуг не могут быть успешно организованы, правомерными и компетентными без их правовой поддержки, то есть взаимодействия с системами правовой информации, содержащими базы данных (БД). Взаимодействие с такими системами подразумевает наличие возможности у субъекта общества (предприятие, учреждение, человек) получения актуальной и достоверной информации в области права в любое время и в любом регионе страны.

Обновление технико-экономического базиса во всех сферах общественной жизни требуют разработки гибких систем доведения правовой информации до конечного пользователя, построенных на основе новейших достижений информатики и вычислительной техники. Это необходимо для совершенствования информационно-правовой деятельности общества, опирающейся на автоматизированные информационно-поисковые системы по законодательству, системы информации о правонарушениях, вычислительную технику, находящуюся на службе у судей, прокуроров, других работников органов юстиции и образующих вместе распределенную информационную вычислительную систему правовой информации.

В связи с возросшим объемом законотворческой деятельности и, как следствие появление новых нормативно-правовых актов встал вопрос о

доведении информации до любого гражданина и любого района из эталонного центра - хранилища информации с использованием новейших видов связи. Таким образом, речь идет о появлении нового вида деятельности - законораспространительного.

В процессе работы необходимо решить важные вопросы по распространению баз данных в удаленные районы с последующим поддержанием их в контрольном состоянии. Ввиду большой удаленности регионов от эталонного центра и необходимости актуализации базы данных в кратчайшие сроки необходимо решить задачу сочетания юриспруденции с современными методами и способами связи.

Актуальность темы работы обусловлена задачами, поставленными в области правовой информатизации и предусмотренными в постановлениях Правительства Российской Федерации, Указах Президента Российской Федерации и ряда других нормативных актов. В частности, в них сказано "...ускорить работы по созданию Российской автоматизированной системы информационно-правового обеспечения и

правореализационной деятельности, правового образования и

воспитания как неотъемлемой составной части межгосударственной системы правовой информации Содружества Независимых Государств..."; "Признать целесообразным использование созданного в Научном центре правовой информации при Министерстве юстиции Российской Федерации банка данных ведомственных нормативных актов для информационно-правового обеспечения деятельности федеральных органов исполнительной власти."

Концепция (Указ Президента Российской Федерации от 28.06.93 № 966) предусматривает создание государственной глобальной "эталонной децентрализованной правовой базы", имеющей центральный и

региональные узлы. Согласно Концепции, "предоставление информационно-юридических услуг гражданам и организациям" начнется уже в 2000 г.

Базовыми звеньями РИВС системы юстиции являются центральный узел системы - аппаратно-программный комплекс "ФОНД" Научного центра правовой информации при Министерстве юстиции РФ (НЦПИ) и региональные центры правовой информатизации (РЦПИ). Базы данных правовой информации, расположенные в региональных центрах должны своевременно актуализироваться.

В процессе анализа метода актуализации баз данных с использованием каналов связи требуется проанализировать такие задачи как плотность передаваемой информации, скорость, коррекцию ошибок, достоверность передаваемой информации и стоимостные характеристики.

Разработка аппаратно-программного комплекса средств поддержания в контрольном состоянии баз данных по каналам связи осуществляется в соответствии с Государственной Программой Правовой информатизации России.

Анализ и использование таких сложных комплексов и систем представляется новыми и перспективными направлениями в науке, и требуют особых методов и теорий, которые до сих пор недостаточно разработаны. От успешного решения этих задач в значительной степени зависит выполнение современных требований, предъявляемых к компьютерным системам передачи данных правовой информации по каналам связи.

Использование компьютерных систем приводит к большому разнообразию способов построения и организации систем передачи данных правовой информации. Поэтому необходимо ввести параметры

10

качества, по которым определяется векторная матрица их взаимодействия и проводится ее оптимизация. Подобного рода задача в правовой информатизации решается впервые.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка метода проектирования транспортного узла РИВС юстиции на базе аппаратно-программного комплекса для передачи правовой информации по каналам связи, обеспечивающих эффективное использование технических средств и повышающих надежность и достоверность передаваемой информации. Комплекс аппаратных и программных средств позволяет более точно и подробно анализировать и исследовать потребность в правовой информации и пропускную способность этой сложной машинной системы, автоматизировать процесс получения оценки производительности доступа к данным.

В диссертационной работе для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- Разработан метод проектирования и построения транспортного узла РИВС юстиции для передачи правовой информации по каналам связи.

. - Предложен эффективный метод управления доступом к правовой информации в компьютерных сетях.

- Определена система параметров для метрологической оценки производительности и отказоустойчивости комплекса передачи информации по каналам связи.

- Выбран оптимальный состав технических средств для обеспечения успешного функционирования транспортного узла РИВС при минимальной стоимости аппаратных средств.

- Определены характеристики состояний модели транспортного узла РИВС для любого момента времени, при которых показатели качества функционирования системы приобретают оптимальные значения.

11

- Разработана процедура и программное обеспечение оценки пропускной способности, отказоустойчивости комплекса передачи данных правовой информации и производительности доступа к данным правовой информации.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы анализа сетей, методы имитационного моделирования, теории графов, теория вероятностей и математической статистики, теория массового обслуживания, теория однородных вычислительных структур.

Научная новизна.

1. Использование математических методов теории массового обслуживания в сочетании с методом имитационного моделирования позволило разработать метод проектирования транспортного узла РИВС, отличающийся от известных расширенным набором параметров для описания категорий заявок входного потока, а именно: требования от правотворческих органов, требования за пакетами обновлений, тематические запросы по правоприменению. На основе разработанного метода создан аппаратно-программный комплекс передачи данных правовой информации по каналам связи в системе юстиции, что позволило производить сравнительную количественную оценку таких комплексов и оптимизировать их аппаратный состав.

2. Разработана операторная схема алгоритма имитационной модели, отличающаяся от известных тем, что в состав исходных данных введены дополнительные переменные, описывающие связи в группе элементов при реализации фазы процесса моделирования и описывающие связи между группами элементов. За счет увеличения объема исходных данных в 2.3 раза отпадает необходимость затрат на построение новой модели, что

увеличивает производительност�