автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка комплексной модели конфигурирования локальных вычислительных сетей персональных ЭВМ для автоматизированных систем управления энергетическими и машиностроительными предприятиями

2 5 и*-

ОБНИНСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

На правах рукописи

ПАЩЕНКО Василий Николаевич

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ КОНФИГУРИРОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫМИ ПРЕДПРИЯТИЯМИ

Специальность: 05. 13. (6 — применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОБНИНСК 1996

Работа выполнена на кафедре. АСУ Обнинского института атомной энергетики.

Научный руководитель:

- доктор технических наук, доцент, Н. Л. Сальников

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Ануфриенко В.Б.

- кандидат технических наук Повякало А.А.

Ведущая организация:

Филиал научно производственного объединения им. Лавочкина С.А. г. Калуга.

Защита диссертации состоится 19 апреля 1996г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 064.27.01 в Обнинском институте атомной энергетики по адресу: 249020, Калужская область, г. Обнинск, Студгородок. 1, Зал Ученого Совета ИАТЭ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАТЭ

Автореферат разослан " Р- 1996г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 064.27.

доктор технических наук, доцент

Перегуда А.И.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Комплексирование средств вычислительной техники позволяет создавать широкую номенклатуру высокопроизводительных систем обработки информации и рассматривается как одно из перспективных направлений развития вычислительной техники. Одним из представителей таких систем являются локальные вычислительные сети (ЛВС).

Из среды ЛВС можно выделить класс сетей, которые принято называть ЛВС персональных ЭВМ ЛВС (ПЭВМ).

В настоящее время сети ПЭВМ получили широкое распространение, это связано с тем. что такие системы оказались очень эффективными и позволили решить ряд новых задач в области распределенного управления и. прежде всего, в организационных системах промышленного производства, при автоматизации научных исследований и разработок, в области образования и т.д. Как правило, они входят в состав соответствующих автоматизированных систем управления (АСУ) энергетических и машиностроительных предприятий, для решения задач различных уровней и назначений.

Сети ПЭВМ позволяют коллективно использовать дорогостоящее оборудование, представлять новые виды сервиса пользователю (такие как электронная почта, удаленная печать), и.т.д.

Конфигурирование ЛВС ПЭВМ специфицирует конфигурацию ЛВС, под которой будем понимать пространственно размещенный комплекс программно-аппаратных средств (КПАС), включая трассировку кабельной сети связи, удовлетворяющую требованиям пользователя и ограничениям окружающей среды.

Однако, результаты исследований, выполненных ранее, для конфигурирования вычислительных систем, не могут быть прямо перенесены на данную задачу. В настоящее время задача решается в зсновном с помощью опыта предметчика-специалиста. Однако, пользователь не может задавать исходные требования к построению ЛВС 1ЭВМ в виде, пригодном для существующих формальных моделей. Для шформации, задаваемой пользователем, характерна неполнота ис-содных данных и достаточно большая размерность исходных требова-шй, ограничений и т.д.

В то же время, недостаточно обоснованный проект ЛВС может, >атем в процессе эксплуатации, вызвать перегрузки ее отдельных цементов, привести к неэффективному использованию её ресурсов.

неоправданному увеличению стоимости или даже к неспособности выполнять требуемые функции. Цена, которую не так уж редко приходится платить за это. - частичный или даже полный провал разработки или необходимость дорогостоящей и затягивающей сроки внедрения модификации системы, а также перекладывание груза неэффективности системы на плечи пользователей.

Важной особенностью является наличие не одного а нескольких критериев, определяющих эффективность функционирования сети.

В связи с этим становится актуальной задача разработки моделей, методов и инструментальных средств, конфигурирования сетей данного класса,позволяющих обеспечить однозначность, полноту и внутреннюю согласованность параметров конфигурируемой сети по отношению к требованиям пользователя и ограничениям окружающей среды. Однозначность позволит исключить множественность произвольных трактовок путей конфигурирования сети проектировщиком. Полнота описания сети состоит в том, что в ней должны быть отражены все функции ЛВС, в их полном объеме.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью диссертационной работы является разработка комплексной модели, представляющей собой комплекс моделей, методов и инструментальных средств конфигурирования ЛВС ПЭВМ, позволяющих создать эффективную систему хранения, обработки и передачи информации для АСУ энергетическими и машиностроительными предприятиями.

Этой цели соответствуют следующие основные задачи:

- разработка методов перехода от неформализованного описания предметных задач пользователя к формализованной модели разработки архитектуры ЛВС ПЭВМ;

- разработка моделей и методов выбора и размещения комплекса аппаратных средств, из определенного их набора, а также типа ЛВС с учетом требований пользователя и ограничений окружающей среды;

- разработка структуры и обобщенного алгоритма процесса конфигурирования ЛВС ПЭВМ, в соответствии с уточненными и формализованными, в процессе конфигурирования, требованиями пользователя и ограничениями окружающей среды;

- разработка концепции и программная реализация инструментального средства конфигурирования ЛВС ПЭВМ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:

- предложена методика решения задачи конфигурирования;

- разработан диалоговый метод выбора и размещения аппаратных средств;

- разработан метод выбора типа ЛВС ПЭВМ;

- разработана структурно-функциональная модель процесса конфигурирования ЛВС ПЭВМ;

- разработана аналитическая модель оценки эффективности ЛВС

ПЭВМ;

- определена концепция новой экспертной системы и разработано инструментальное средство конфигурирования ЛВС ПЭВМ.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ:

- структурно-функциональная модель процесса конфигурирования;

- формальная модель решения задач выбора;

- метод выбора типа ЛВС ПЭВМ определенной архитектуры;

- аналитическая модель оценки эффективности функционирования ЛВС ПЭВМ;

- инструментальное средство конфигурирования;

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ состоит в том. что наряду с

указанными выше теоретическими разработками, ряд результатов работы имеет и прикладное значение. Так, на основе теории разработана инженерная методика конфигурирования ЛВС ПЭВМ. Разработано новое инструментальное средство конфигурирования ЛВС ПЭВМ, обеспечивающее комплексный и, что очень важно, практический подход к решению задачи конфигурирования ЛВС ПЭВМ. В конечном счете, это позволяет:

- сократить сроки конфигурирования ЛВС ПЭВМ;

- существенно уменьшить стоимость конфигурируемой сети;

- получать исчерпывающую спецификацию КПАС конфигурируемой

сети:

- дать возможность пользователю участвовать без посредника в процессе конфигурирования ЛВС ПЭВМ;

- получать графическое отображение конфигурации сети.

АЛПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы, а также разработанное на их основе инструментальное средство используются в отделе АСУТП НИИ Технологии Машиностроения НПО "Техномаш", на малом предприятии "Электронные знания", на совместном предприятии "ЛОГОВАЗ", в Центре автоматизации научных исследований и метрологии (ЦАМ) АН МССР. в отделе системных и инструментальных средств КФ НПО им. Лавочкина С.А.. ВЦ Калугаприбор, и на кафедре Алгебры и

Информатики Калужского Государственного Технического Университета, что подтверждено актами о внедрении.

Отдельные результаты работы печатались в отраслевых научно-технических сборниках, использовались в технических отчетах, докладывались на научных семинарах и конференциях: Третий отраслевой семинар. Сквозное проектирование и изготовление изделий приборо - и машиностроения. "Принципы построения САПР ЛВС", (г. Москва, 1987г.). Отраслевая научно-техническая конференция молодых специалистов. Системное проектирование АСУ ГПС машино - и приборостроения, (г. Москва,1988г.): Конференция молодых специалистов. Распределенная обработка данных и локальные сети ЭВМ. "Проблема выбора конфигураций ЛВС", (г. Москва, 1989г.); Всероссийская научно-техническая конференция. Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем и технологических процессов. "Экспертная система для решения задач выбора".(г. Калуга, 1994г). Российская научно-техническая конференция. Социально-экономические проблемы управления производством. создание прогрессивных технологий, конструкций и систем в условиях рынка. "Аналитическое моделирование локальных вычислительных сетей с методом доступа CSMA/CD". (г. Калуга, 1995г).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, выпущено 5 научно-технических отчетов.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 2-х приложений и списка литературы 105 наименований. Общий обьем работы 140 страниц, в том числе 129 страниц основного текста, включая 17 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности работы, сформулированы основная цель и задачи диссертационного исследования. Приводится общая характеристика диссертации.

В первой главе дается обзор ЛВС ПЭВМ, проведено исследование задачи конфигурирования ЛВС ПЭВМ.

В разделе 1.1 проводится детальное описание объекта исследования, в частности описываются функциональные, аппаратные и программно-технические характеристики ЛВС ПЭВМ.

В разделе 1.2 приводится детальное рассмотрение нескольких автоматизированных систем (в частности, XCON/ R1, САПР КТС мик-

роЭВМ. гСБУ), предназначенных для конфигурирования программно-технических средств. Системы подобраны таким образом, чтобы продемонстрировать, по возможности, различные подходы, к проблеме конфигурирования и с другой стороны, выявить общие черты этих систем.

В разделе 1.3 проведен анализ методов аналитического моделирования вычислительных систем. Показано, что рассмотренные модели лишь приближенно отражают процессы обработки данных в ЛВС ПЭВМ и не могут быть использованы в полной мере в данной работе.

В разделе 1.4 Проведен анализ подходов к решению задачи конфигурирования ЛВС ПЭВМ и описаны цель исследования и постановка задачи.

Анализ существующих подходов к решению задачи конфигурирования показал, что одним из самых распространенных подходов является решение задачи с помощью профессионального опыта предмет-чика-специалиста. Недостаток такого подхода в том. что не используя формализованных методов выбора и оценки, можно получить недостаточно обоснованный проект сети. -

Второй подход заключается в попытке использования традиционных методов проектирования вычислительных сетей, таких как глобальные, региональные, и т.д.. при этом указывается, что решаются только задачи:

- оптимизация определенной топологии;

- анализ эффективности Функционирования.

Однако; при решении задачи оптимизации не учитывается, что конфигурация сети, в общем случае, состоит из набора топологий. Кроме того не решаются задачи выбора и размещения аппаратных средств и выбора типа сети от которых собственно и зависит выбор топологии и в конечном счете конфигурации сети.

Что касается решения задачи оценки функционирования сети, необходимо отметить, что во-первых, анализ производится с помощью теории массового обслуживания, в частности, марковских цепей, или с помощью «имитационной модели. Но при этом необходимо знать распределение ряда случайных величин, которые неизвестны. А именно, объемы информационных потоков, решаемой на сети задачи, интенсивность потоков сообщений пользователей, известны лишь приблизительно, распределение во времени интенсивностей информационных потоков отдельных пользователей сети неизвестно, а можно лишь, на уже созданной сети, получить их усредненные характе-

ристики. При этом погрешность в оценке этих величин может достигать 50-100%.

Кроме того, результаты можно получить для стационарного режима работы, но неизвестно, сколько времени займут переходные процессы. В реальной сети нагрузка может меняться быстрее и тогда сеть в стационарный режим вообще не попадет.

Во-вторых, предлагается комбинаторно вероятностный метод анализа, который в значительной мере свободный от упомянутых недостатков, однако при этом не определен закон распределения числа обращений абонентов к каналу. Подразумевается, что число участников столкновений задано в определенный момент времени. Что не реально для функционирующих сетей ПЭВМ. Кроме того, такой подход очень трудоемкий, что приводит к ограничению анализа сравнительно небольшим числом коллизий.

Таким образом, на основе проведенного анализа и анализа практических задач конфигурирования, было сделано следующее заключение:

- отсутствует комплексный подход к задаче конфигурирования, который позволил бы обеспечить однозначность, полноту и внутреннюю согласованность параметров сети по отношению к требованиям пользователя и ограничениям окружающей среды.

- задача конфигурирования сетей данного класса, в настоящее время, не решена в полном объеме строго математически или при помощи эвристик суммирующих и обобщающих профессиональный опыт конфигурирования сетей ПЭВМ:

- до настоящего времени отсутствует целостная формализованная методика конфигурирования сетей персональных ЭВМ, учитывающая весь спектр ограничений и требований пользователя;

- отсутствуют автоматизированные системы конфигурирования сетей данного класса.

В главе 2 проводится разработка моделей и методов предназначенных для решения поставленной задачи.

В разделе 2.1 дана характеристика существующих методов оценки производительности вычислительных сетей, дан анализ направлений определения качества функционирования сетей.

Для того, чтобы учесть как функциональные так и некоторые схемотехнические параметры конфигурируемой сети, предложен, с использованием экспериментальных данных, показатель качества ЛВС ПЭВМ: Ц = Ъ Р /(Сс+Сп+С1+Сп), где: Сс - стоимость разработки се-

ти передачи данных; Сп - стоимость комплекса программно-аппаратных средств; С1 - стоимость сети передачи данных; Сп - стоимость ПЭВМ; Р - вероятность выбора сети определенной архитектуры; 2 -загрузка канала, которая в работе, определяется как отношение пропускной способности ЛВС к скорости передачи данных в локальной сети связи.

В разделе 2.2 описывается предлагаемая методика решения задачи конфигурирования ЛВС ПЭВМ. Методика предполагает разделение процесса конфигурирования на четыре этапа: концептуальный, формальный, реализационный и этап анализа, которые связаны по входу и выходу и образуют вертикальную иерархию.

Такой подход объясняется тем. что решать задачу конфигурирования сети нужно не как задачу оптимизации, в традиционном понимании этого термина, а как задачу выбора и размещения комплекса аппаратных средств, из определенного их набора, на основе выбранного типа сети определенной архитектуры, и разработки конфигурации сети, начиная процесс конфигурирования с формализации требований пользователя, ограничений окружающей среды, в которой будет размещена сеть и т.д.. и заканчивая анализом эффективности Функционирования созданной сети.

Поэтому необходим этап концептуализации, включающий в себя сбор, структуризацию требований пользователя и окружающей среды, требований к конфигурации и определения характеристик сети.

Предлагаемая методика решения данной задачи включает в себя следующие этапы: анализ требований пользователя, анализ прикладной области, анализ требований к конфигурации.

На этапе анализа требований пользователя необходимо определить задачи, которые будет решать сеть, функциональное назначение сети, область применения, виды работ требующих автоматизации и т. д.

В течении этапа анализа требований к конфигурации необходимо определить: тип/количество ПЭВМ, тип/количество принтеров, количество файловых серверов (ФС), тип/количество АРМов, характеристики ранее созданных сетей (если таковые имеются).

В течении этапа анализа прикладной области, необходимо определить среду в которой будет размещена сеть. .

На этапе сравнения формируется концепция проектируемой сети отражающая исходные данные к сети:

- данные отражающие требования к конфигурации;

- данные отражающие требования к функциональным характеристикам сети: метод доступа, скорость передачи, средство передачи;

- данные отражающие требования к техническим характеристикам сети: стоимость сети, надежность сети, расширяемость сети и т.д;

- данные отражающие требования к характеристикам окружающей среды;

- данные отражающие требования к типам пользователей:

- данные отражающие требования к функциональному назначение

сети;

- данные отражающие требования к задачам решаемых при помощи сети;

- данные отражающие требования к типам циркулирующей в сети информации и. т. д.

На втором этапе (этап формализации) необходимо определить типы сетей удовлетворяющих специфицированным и уточненным, на предыдущем этапе, исходным данным.

Задачей следующего этапа является разработка собственно конфигурации сети, которую предлагается решать в два этапа. На первом этапе необходимо решить задачу выбора и размещения комплекса аппаратных средств, и на втором, решить задачу разводки кабельной сети связи.

И наконец, необходимо решить задачу принятия либо отказа от первоначального проекта сети. Эта необходимость возникает в связи с тем, что как показал анализ, основные параметры, задающие ЛВС могут быть определены, на уровне оценок. Вследствии чего сеть может оказаться либо "узким местом" либо далеко не полностью использовать свои возможности, что приводит к неоправданной стоимости сети, и т.д. Это один из самых ответственных этапов в процессе конфигурирования, на котором проверяется точность и достоверность принимаемых решений, а значит качество и эффективность работы всей ЛВС в целом.

В разделе 2.3 описывается разработанная структурно-функциональная модель процесса конфигурирования ЛВС ПЭВМ. Модель отражает определенный круг задач, которые необходимо решить в процессе конфигурирования, их взаимосвязь, последовательность решения и параметры влияющими на решение каждой конкретной задачи. Описывается'предлагаемая формальная модель решения задач, которая представляет собой зависимость "итоговых" спецификаций от

"исходных" с учетом спецификаций "влияющих" факторов Х-Х(Г.У).

Под спецификацией понимается либо формальное указание на наличие или отсутствие того или иного свойства объекта или критическая величина параметра, характеризующего то или иное свойство объекта.

К задачам относятся: спецификация исходных требований пользователя, определение характеристик сети, выбор типа сети определенной архитектуры, определение комплекса АС, трассировка кабельной сети связи, анализ эффективности функционирования сети.

Формальная модель первой задачи определяется вектором "итоговых" спецификаций Хис, отражающих требования пользователя, в соответствии с вектором "исходных" спецификаций: .

Гис=(Г11. Г2у ГЗк. Г41.......)£ПхГ2хГЗхГ4х. • • где: П - передача

данных, текстов, и т.д.; Г2 - необходимость локализации информации и т.д.; ГЗ - работа с одним обслуживающим центром, распределенная обработка информации и т.д.; И4 - задачи реального времени т.е. требование гарантированного доступа к сети, и т.д.

С учетом "влияющих" факторов:

Уис=(у11 ,у2} ,уЗк____)еУ1хУ2хУЗх......... где: У1 - окружающая

среда; У2 - характеристики ранее созданных сетей; УЗ - необходимость сопряжения с существующими сетями, и т.д.

Формальная модель второй задачи определяется вектором "итоговых" спецификаций Ххс, отражающая характеристики проектируемой сети. в соответствии с вектором "исходных" спецификаций Рхс-(Хис) где: Хис - выходные данные первой задачи.

С учетом "влияющих" факторов:

Ухс-(у11 ,у2 ____)е У1хУ2х..... где: У1 - типы/количество ПЭВМ;

У2 - типы/количество ФС; УЗ - типы/количество ПУ; У4 - количество АРМов и т.д.

Формальная модель третьей задачи определяется вектором "итоговых" спецификаций Хтс, отражающих типы сетей. В соответствии с вектором "исходных" спецификаций Гтс=(Хис,Ххс), где: Хис - выходные данные второй задачи, Ххс - выходные данные первой задачи.

С учетом "влияющих" факторов:

Утс=(у11. у23......) е У1хУ2хУЗх____где: У1 - тип/количество ПЭВМ;

У2 - тип/количество ПС; УЗ - тип/количество ФС, и т.д.

Определив исходные данные для решения задачи выбора типов сетей, параметры определяющие решение этой задачи, решая эту за-

дачу опираясь только на экспертную оценку практически всегда возможны несколько вариантов решения, при этом не все исходные данные специфицируют определенный тип сети.

Рассмотрим разработанный алгоритм выбора определенного типа сети из набора вариантов.

1 шаг. Определение набора сетей удовлетворяющих определенным исходным данным.

2 шаг. ЕСЛИ тип сети один, ТО переход к следующей задаче. ЕСЛИ типов сетей два три. и т.д. ТО .определяются вероятности выбора соответствующих типов сетей.

Модель решения этой задачи рассмотрим в следующих предпосылках.

Построить сеть есть событие Е, которое зависит от событий Н . Н2.....Нк где Н1 события состоящие в выборе 1-го типа сети.

Вероятность того, что сеть будет построена, определим как: Р(Е)-Р(Н, )РН1 (Е)+Р(Нг)Рнг (Е) +........+Р(Нк)РНк (Е).

Вероятности Р (Е) - построения сети на основе 1 -го типа сети предлагается определять следующим образом: Р (Е) =Р<)РСГ2)......Р^,,)' гДе ) " вероятности соответствия J - го исходного данного соответствующей гипотезе Некоторые были определены на основе анализа информации, полученной из различных источников, таких как проектирование конкретных сетей, техническая документации, знания предметчика-специалиста и были сведены в соответствующую таблицу соответствия.

Тогда вероятности, после учета всех исходных данных определим следующим образом Р (Н ) = (Р(Н1)РН1 (Е))/Р(Е)..

3 шаг. Определяем шахРЕ(Н1). максимальную вероятность.

Таким образом определяется максимально возможная для 1- й

гипотезы апостериорная вероятность, которая соответствует случаю, когда все исходные данные говорят в пользу данного типа сети.

Определив тип сети можно решить задачу разработки конфигурации сети. Решение этой задачи с помощью традиционных для данного класса задач методов, не представляется возможным поскольку задача выбора и размещения КАС сопряжена с задачей использования определенной технологии обработки данных и специфическими требованиями пользователя, окружающей среды и т.д. Поэтому предлагается следующий подход.

Во-первых, предлагается использовать диалоговый метод выбо-

ра и размещения КАС базирующийся на знаниях экспертов в области конфигурирования, и знаниях об удовлетворении требований пользователя и окружающей среды.

Формальная модель этой задачи определяется вектором "итоговых" спецификаций Хкас, отражающих наборы аппаратных средств, в соответствии с вектором "исходных" спецификаций Гкас=(Хис.Ххс,Хтс) где: Хис - выходные данные 1 -й задачи: Ххс -выходные данные 2 -й задачи; Хтс - выходные данные 3 -й задачи.

С учетом "влияющих" факторов: Укас^у^ ,у23 ...)€ У1хУ2хУЗх... где: У1 - стоимость: У2 -надежность; УЗ - окружающая среда и т.д.

Задача разводки кабельной сети связи это по сути, построение оптимальной геометрии. Для решения этой задачи используется известный алгоритм построения кратчайших путей. Применение этого алгоритма, который называется алгоритмом "двусторонней очереди", является эффективным для задачи, в которой из качественных априорных соображений известно, что чем меньше дуг в маршруте, тем он в среднем короче.

В разделе 2.4 описывается аналитическая модель, позволяющая дать количественную оценку эффективности работы сети.

Исследования проводились на сети с наиболее часто используемым методом множественного доступа с контролем несущей и обнаружения конфликтов (СЭМА/СБ).

С точки зрения оценки эффективности ЛВС ПЭВМ, для практически функционирующих сетей, рассмотрим отношение пропускной способности локальной сети связи к скорости передачи информации в ЛВС, которое определим как "загрузка" канала: г=П/У. Загрузка, важная мера с точки зрения оценки функционирования сети, так как она показывает поведение сети в состоянии высокой нагрузки на сеть. В таком предположении загрузка канала определяет максимально возможное использование канала передачи данных.

Определим, в общем случае, пропускную способность как П=1УТп где: Ь - длины пакета: Тп -полное время передачи пакета. При этом определим Тп^+Т где Т - время передачи пакета; Тг -время распространения сигнала.

Определим в общем случае скорость передачи как У=Ь/Т где: Ь - длина пакета; Т - время передачи пакета.

Таким образом, загрузку канала определим как г=(Ь/(Т1+Тй))/(Ь/Т1), преобразуя получим г=1/(1+(Т2/Т1)).

Время распространения сигнала между источником и приемником информации, определяется расстоянием между ними, и зависит от матрицы связей. Поскольку связи в ЛВС ПЭВМ равновероятны, то Т2 -2-10"6•Lm+O,5-(N/V) где: Lm - максимальное расстояние между ПЭВМ; N - количество ПЭВМ; V - предлагаемая скорость передачи.

Время доставки обработанного пакета от одной ПЭВМ до другой можно определить как Tj-tn+T где: tn - время приема контроллером пакета; Т - время нахождения пакета в канале. Для метода доступа CSMA/CD tn= 0.00275-(п -64) +4 где: п - длина пакета в байтах; 4- константа, которая определяет время обработки пакета в контроллере.

В ЛВС приемопередатчик постоянно контролирует канал связи. В случае отсутствия столкновений (конфликтов) переданный пакет на входе приемопередатчика появится через время T1;)=4-10"6Lm+N/V. Однако, для вычисления Т , с методом доступа CSMA/CD, потребовалось вероятностное приложение, исходя из необходимости оценки "столкновений" и "соревнований". Была определена интенсивность обращения абонентов к каналу и получена средня длина интервала соревнований: М(Х) = ? п-(1-р)""1 р.

В результате было получено выражение для определения времени передачи пакета:

T1=(tn+2-Tu)/Р, где P=N-p-(1-р) - вероятность передачи информации одним из N абонентов.

В третьей главе проведено исследования моделей, методов и программно-технических средств, с целью разработки концепции экспертной системы. Разработана концепция инструментального средства конфигурирования ЛВС ПЭВМ. .

В разделе 3.1 был проведен анализ существующих средств разработки ЭС. За основу было взято понятие оболочки. т.е. комплекса инструментальных средств построения экспертных систем. Такой подход можно объяснить тем, что с одной стороны, в основе оболочки всегда лежит определенная модель представления знаний и методов вывода, что позволяет рассуждать об оболочке в терминах, близких к представлению задачи. С другой стороны, оболочки, будучи программно-техническими системами базируются на определенном виде программно-технических средств (ПТС) и позволяют сделать выбор (ПТС) для разработки прикладной ЭС.

Для более глубокого понимания задачи разработки концепции прикладной ЭС, в которой нашли конкретное воплощение элементы

различных групп знаний, были систематизированы знания о наиболее распространенных типах и промышленных версиях оболочек и создана классификационная схема инструментального средства.

Наиболее существенные, с точки зрения разработки ЭС функциональные параметры оболочек, описывающие классы задач, на решение которых ориентирована разрабатываемая ЭС, были объединены и систематизированы в соответствующую таблицу.

Эти параметры играют ведущую роль при сопоставлении описаний задач и средств решения, являясь своеобразным "мостиком", связывающим различные классификационные иерархии.

Предложенное разделение параметров является результатом анализа большого количества коммерческих оболочек с точки зрения поставленной задачи конфигурирования и согласуется с общими требованиями к инструментальному средству.

В разделе 3.2 были определены методы и критерии построения прикладной ЭС.

Для того, чтобы использовать исследованные принципы организации для разработки прикладной ЭС. были наполнены реальным содержанием области знаний, используемых в процессе конфигурирования. основу которых составили знания, полученные из различных источников: монографий, статей, обзоров, отчетов, а также из опыта разработки и использования ЭС. Эти знания были обобщены в таблицу соответствия ("класс_задач/свойство_систем).'

Соотнесение описаний задач с описаниями средств решений и проведенный анализ, позволили определить концепцию ЭС, со следующей организационной структурой: метод вывода - обратный поиск; представление знаний - правила; представление действий - правила.

В разделе 3.3 описывается концепция инструментального средства конфигурирования ЛВС ПЭВМ. Дано описание основных блоков и подсистем инструментального средства: блока управления, средства организации диалога, интерфейса пользователя, экспертной системы (БЗ. БД. блок вывода, блок объяснений, средства организации диалога), графической системы (БД, топологичеокая система, система трассировки), спецификатора, анализатора, и консультанта.

В главе 4 дается краткое описание программно-технических средств реализации инструментального средства конфигурирования.

В разделе 4.1 дается обоснование выбора программно-технических средств реализации.

В разделе 4.2 дается краткое описание разработанной экспертной системы. В частности, отмечается, что компьютерную часть ЭС представляют компоненты программного обеспечения, которые обрабатывают полученную информацию, заложенную в символьном виде в виде базы знаний.

В качестве основы предложенной реализации в работе было выбрано представление информации в виде эвристических правил по причине большой выразительности, гибкости и адекватности основной концепции организации системы.

База знаний ЭС состоит из фактов и правил и вопросов. Факты БЗ описывают то. что известно о предметной области в данный момент. В этом отношении она отличается от традиционной базы данных вследствии своего символьного, а не числового или буквенного содержания. База знаний, представляющая более высокий уровень абстракций, имеет дело с классами объектов, а не с самими объектами. Правила устанавливают ситуационные, концептуальные, причинные или прецендентные взаимосвязи между этими фактами. База представляет факты, определяя объекты, описывая их атрибуты и придавая им эквиваленты или значения.

Блок вывода, базирующийся на методе вывода "обратный поиск", является интерпретатором правил, который использует факты этой базы для решения поставленных проблем. Осуществляется это путем формулирования пробных гипотез и проверки их на соответствие указанной цели. Цель задается в виде имени объекта. Блок вывода использует набор правил, пытаясь получить значение указанного объекта цели. Процесс заключается в переборе списка правил в поисках такого, которое содержит объект-цель в своей правой части. Затем проверяется каждая часть предпосылки правила. и процесс начинается снова.

Правило состоит из двух частей: предпосылки и заключения. Как предпосылка, так и заключение являются фактами базы знаний, выраженными парами "объект-значение". Формат правил имеет вид: ЕСЛИ предпосылка, ТО заключение. Эта концепция называется "метод убеждения" и заключается в том. что если верна предпосылка, то верно и заключение.

Ввод правил осуществляется путем записи их в текстовый файл с помощью любого текстового редактора или программы подготовки

текстов. После чего этот текстовый файл считывается. и правило включается в базу знаний.

Чтобы отличать фактические выражения от традиционных компьютерных данных, было использовано понятие триплета "объект-атрибут-значение". как декларативных данных. Чтобы упорядочить выражения фактов, они объединяются в пары "объект-значение", соединив имя объекта с именем атрибута. Например, в триплете "ЛВС-методлоступа-детерминированный" именем объекта будет слово "ЛВС", его атрибутом - "метод доступа", а его значением - слово "детерминированный". Представив его в виде пары, будем иметь: "ЛВС-метод доступа" - объект, а значение - "детерминированный". Для представления объектов в базе знаний используется структура данных, которая называется сцепленный список. Каждая единица этого списка называется узлом и содержит поля, в которые заносится информация об объекте. Одно из полей служит указателем, сообщающим системе, где искать следующий сцепленный узел списка. Последний узел указывает, что список узлов исчерпан.

В разделе 4.3 дается краткое описание графической системы.

Построение оптимальной геометрии включает в себя решение следующих задач: построение графа допустимых путей; построение конденсированного графа системы; построение оптимальной сети, которая включает в себя решение следующих задач: построение шины; построение системы шин; построение сложной звезды; построение простой звезды.

При построение графа допустимых путей сначала строится матрица смежности помещений. Помещения считаются смежными, если между ними есть пробиваемая стена, дверь или межэтажное соединение. Далее в цикле просматривается матрица помещений и если: а) граф пуст, или б) данное помещение смежно с включенным в граф, то а) строится подграф этого помещения, б) подграф помещения включается в общий граф системы, в) помещение помечается в матрице смежности как включенное в граф. Цикл заканчивается, если полный просмотр матрицы смежностей в граф не было включено ни одного помещения. Вершины графа нумеруются, и в выходную базу данных заносится словарь соответствия вершин графа и информации во входной базе данных.

Конденсированный граф системы представляет собой полносвязный граф. вершинами которого являются оконечные системы, а ребра соответствуют кратчайшим путям между ними. Он представляется в

виде двух матриц: матрицы кратчайших расстояний и матрицы кратчайших путей (соответствующих этим расстояниям).

Алгоритм построения конденсированного графа следующий:

1) На графе выбирается точка, соответствующая 1-й оконечной системе (1=1,N-1, N - число оконечных систем):

2) Строятся кратчайшие пути от этой точки до всех вершин графа по алгоритму "двусторонней очереди";

3) Кратчайшие пути между данной точкой и вершинами, соответствующие другим оконечным системам, заносятся в матрицу кратчайших путей, а их длины - в матрицу кратчайших расстояний.

Под оптимальной сетью понимается некоторая структура, соот-. ветствующая конфигурации ЛВС на конденсированном графе.

Построение шины сводится к построению Гамильтонова пути на конденсированном графе. Гамильтонов путь строится по следующему алгоритму:

1) Случайным образом выбирается вершина конденсированного графа;

2) Если выходной список пуст, вершина заносится в него;

3) Если нет, то вершина добавляется в то место списка, которое дает наименьшее увеличение его длины;

4) Все повторяется И-раз, и выбирается список минимальной длины.

Далее производится следующая улучшающая процедура (вторая оптимизация):

1) Берется пара последовательных вершин в списке;

2) Эти вершины меняются местами;

3) Если суммарная длина уменьшается, то это изменение вносится в список;

4) Данная процедура производится для всех пар вершин списка.

Построение сложной звезды представляет собой систему шин, соединенных в одну звезду. Структурой данных, отражающей данную конфигурацию, является массив'списков, аналогичный массиву при построении шины.

Алгоритм построения звезды следующий:

1) В качестве вершины звезды выбирается поочередно п-й из N оконечных систем.

2) Случайным образом выбирается вершина ш не равная п.

3) Если все лучи звезды пусты, то вершина вставляется в

первый луч.

4) Если нет, то вершина добавляется либо в один из существующих лучей на оптимальное место, либо в новый луч в соответствии с наименьшим увеличением суммарной длины звезды.

5) Так повторяется N раз.

После этого во всех лучах звезды производится вторая оптимизация.

Простая звезда представляет собой вырожденный . случай сложной звезды, при котором в каждом луче может находится только одна оконечная система. Алгоритм аналогичен построению сложной звезды.

Система шин - это набор шинных сегментов, соединенных между собой с помощью соединительных устройств.

Эту архитектуру отражает следующая совокупность данных:

1) Массив списков, аналогичный массиву построения сложной звезды.

2) Массив номеров материнских вершин - 1-й элемент - номер

шины.

3) Массив номеров точек подключения на материнской шине.

4) Массив номеров точек подключения на 1-й шине.

Алгоритм-построения системы шин является усложнением алгоритма построения шины с той разницей, что в п.З делается попытка добавить вершину во все существующие шины или добавить новый шинный сегмент.

Построение полной сети включает в себя следующие этапы:

1) Списки номеров вершин конденсированного графа (п.5) заменяются на пути из матрицы кратчайших путей.

2) Стандартные и тонкие кабели везде, где это можно, заменяются на более дешевый соединительный кабель.

3) Для топологии "звезда" производится коррекция положения вершины с целью минимизации суммарной длины кабелей.

4) Для архитектуры "система шин" производится выбор соединительных устройств.

В разделе 4.4 описывается использование разработанной комплексной модели конфигурирования ЛВС ПЭВМ на конкретном примере решения задачи автоматизации административно управленческой деятельности СП "Эко-Трендз". Работы проводились параллельно с группой независимых экспертов.

Ряд полученных выводов и зависимостей Рис. 1. подтверждены

натурными экспериментами и позволили получить наиболее приемли-мый тип сети реализации и соответственно конфигурацию ЛВС.

Скорость (Мбит/с) 10

Загрузка

0.84 0.86 Загрузка Рис. 1 (а) (б)

50 100

Количество ОС Зависимость загрузки от скорости Зависимость загрузки от количества ОС

В приложении 1 приведена структурно-функциональная модель процесса конфигурирования ЛВС ПЭВМ, таблица вероятностей соответствия исходных данных определенным типам сетей, отражающих результаты исследований, и описание программного комплекса.

В приложении 2 содержатся акты об использовании результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основными теоретическими и практическими результатами, полученными в работе, являются следующие.

1. Предложена новая методика конфигурирования ЛВС ПЭВМ, отражающая структуру решения задачи и этапы конфигурирования ЛВС ПЭВМ.

Методика основана на анализе конфигурирования конкретных разработок ЛВС ПЭВМ, разнообразных подходов к решению задачи конфигурирования вычислительных систем, описанных в литературе и знаний предметчиков-специалистов в данной области.

2. Разработана структурно-функциональная модель процесса конфигурирования ЛВС ПЭВМ.

Модель отражает процесс конфигурирования сети, круг задач, которые необходимо решить в процессе конфигурирования, последовательность их решения, и параметры влияющие на решение каждой конкретной задачи.

3. Предложена формальная модель решения задач конфигурирования ЛВС ПЭВМ, представляющая собой зависимость "итоговых" спецификаций от "исходных" с учетом спецификаций "влияющих" факторов.

4. Разработаны методы решения задач конфигурирования. А именно:

а) диалоговый метод решения задач:

- спецификация исходных требований пользователя;

- определение характеристик сети;

- выбор архитектуры сети;

- выбор комплекса аппаратных средств.

б) метод выбора типа сети определенной архитектуры.

в) аналитическая модель оценки качества функционирования создаваемых сетей.

5.Разработано инструментальное средство конфигурирования ЛВС ПЭВМ.

В конечном счете, была разработана комплексная модель конфигурирования ЛВС ПЭВМ, обеспечивающая комплексный подход к задаче конфигурирования ЛВС ПЭВМ, что позволяет определить однозначность. полноту и внутреннюю согласованность параметров сети по отношению к требованиям пользователя и ограничениям окружающей среды.

Однозначность исключает множественность произвольных трактовок путей конфигурирования сети проектировщиком.

Полнота описания сети состоит в том, что в ней отражены все функции разрабатываемой информационной системы, в их полном объеме.

Результаты работы позволяют:

- сократить сроки разработки ЛВС ПЭВМ;

- получить удовлетворительную конфигурацию сети;

- получить исчерпывающую спецификацию комплекса программно-аппаратных средств реализации сети;

- дать возможность пользователю участвовать без посредника

- 22 -

в процессе конфигурирования ЛВС ПЭВМ;

- получать графическое отображение архитектуры сети.

По теме диссертации опубликованы 15 печатных работ, основные из которых:

1. Пащенко В. Н. Дрожжинов В. И. Принципы построения САПР -ЛВС.//Сб.: Сквозное проектирование и изготовление изделий прибо-ро - и машиностроения. -М.: ГОНТИ-2. ЦНТИ-"ПОИСК\ 1987г. -С.98-100.

2. Пащенко В.Н. Дрожжинов В. И. Интеллектуальная система проектирования ЛВС.//Научно-технический сборник. Технология машиностроения. Вып. 9. -М.: ГОНТИ-2. ЦНТИ-"ПОИСК", 1988г. -С. 131 -147.

3. Пащенко В.Н. Павлов Л.К. Построение ЛВС автоматизированных систем проектирования и изготовления учрежденческих информационных систем по технологии НАР/ТОР.//Научно-технический сборник. Технология машиностроения. Вып. 9. -М.: ГОНТИ-2, ЦНТИ-"ПОИСК", 1988Г. -С.147-155.

4. Пащенко В.Н. САПР локальных вычислительных сетей.//Науч-нотехнический сборник. Технология машиностроения. Вып. 10.. -М.: ГОНТИ-2. ЦНТИ-"ПОИСК". 1989г. -С.147-155.

5. Пащенко В.Н. САПР ЛВС.//Отраслевая научно-техническая конференция молодых специалистов. "Системное проектирование АСУ ГПС машино - и приборостроения". Тез. докл. -М.: ГОНТИ-2. ЦНТИ-"ПОИСК". 1988г. -С. 77-79.

6. Пащенко В.Н. Проблема выбора конфигураций ЛВС.//Конференция молодых специалистов. "Распределенная обработка данных и локальные сети ЭВМ". Тез. докл. -М.: Гонти-2, ЦНТИ-"ПОИСК\ 1989г. -С. 53-54.

7. Пащенко В.Н. Экспертная система для решения задач выбора. //Сб.: Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем и технологических процессов. -Калуга. -КФ МГТУ. 1994г. -С.96-97.

8. Пащенко В.Н. Аналитическое моделирование локальных вычислительных сетей с методом доступа СЭМА/СО. // Сб.: Социально-экономические проблемы управления производством, создание прогрессивных технологий, конструкций и систем в условиях рынка. -Калуга. -КФ МГТУ. 1995г. -С.84-85.

9. Пащенко В.Н. Аналитическое моделирование локальных вычислительных сетей персональных ЭВМ с методом доступа СЭМА/СО.

//Труды МГТУ N566 " Математическое моделирование сложных технических систем" Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана. 1995 г. -С.159-164.

10. Пащенко В.Н., Сальников Н.Л. Формализация методов выбора и комплексирования программно-аппаратных средств локальных вычислительных сетей ПЭВМ.//Сб.: Диагностика и прогнозирование надежности элементов ядерных установок. - Обнинск: ИАТЭ, 1995. N10. -С.110-113.

Зак.

236. Тираж 80. ФОТ